EP2804932A1 - Carburant solide sous forme d'une poudre comprenant un constituant lignocellulosique - Google Patents

Carburant solide sous forme d'une poudre comprenant un constituant lignocellulosique

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EP2804932A1
EP2804932A1 EP13705589.3A EP13705589A EP2804932A1 EP 2804932 A1 EP2804932 A1 EP 2804932A1 EP 13705589 A EP13705589 A EP 13705589A EP 2804932 A1 EP2804932 A1 EP 2804932A1
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EP
European Patent Office
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powder
weight
fuel
particles
iii
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13705589.3A
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German (de)
English (en)
Inventor
Bruno PIRIOU
Gilles VAITILINGOM
Xavier Rouau
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Institut National de la Recherche Agronomique INRA
Centre de Cooperation Internationalel en Recherche Agronomique pour le Development CIRAD
Original Assignee
Institut National de la Recherche Agronomique INRA
Centre de Cooperation Internationalel en Recherche Agronomique pour le Development CIRAD
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Filing date
Publication date
Application filed by Institut National de la Recherche Agronomique INRA, Centre de Cooperation Internationalel en Recherche Agronomique pour le Development CIRAD filed Critical Institut National de la Recherche Agronomique INRA
Publication of EP2804932A1 publication Critical patent/EP2804932A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L5/00—Solid fuels
    • C10L5/40—Solid fuels essentially based on materials of non-mineral origin
    • C10L5/44—Solid fuels essentially based on materials of non-mineral origin on vegetable substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
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    • C10L2250/00—Structural features of fuel components or fuel compositions, either in solid, liquid or gaseous state
    • C10L2250/06—Particle, bubble or droplet size
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    • C10L2270/04—Specifically adapted fuels for turbines, planes, power generation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/08—Drying or removing water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the present invention relates to a solid fuel, in the form of a powder, comprising at least one lignocellulosic constituent in the form of a powder.
  • the present invention also relates to the process for the preparation of said lignocellulosic constituent in the form of a powder, as well as its use for the manufacture of a solid fuel intended for an internal combustion engine or a burner.
  • the invention further relates to a method of producing energy using the solid fuel according to the invention.
  • cellulosic materials would, in particular, reduce the wear of the engine and increase the speed and quality of combustion.
  • WO 01/98438 discloses a solid fuel containing predominantly at least one constituent, which contains mainly at least one compound selected from the group consisting of starch, lactose, cellulose and at least 15% by weight of carbohydrates by weight total component (s) being in the form of a powder whose mean diameter and the median diameter of the particles are greater than or equal to 150 pm, preferably between 150 and 500 ⁇ .
  • the exemplified powders are dehydrated chocolate powder, dehydrated milk powder, and the remolding fraction of a wheat flour.
  • the powders described in this application have the disadvantage of competing with the food chain. Moreover, being unable to operate in the conditions of self ignition, the powders described in this application can not be a suitable solution for many engine applications.
  • WO 2008/063549 discloses fuels, in the form of a biomass powder having a relatively heterogeneous particle size distribution, namely, less than 5% by weight of the particles have a size greater than or equal to 74 ⁇ and at least 25% by weight , a size less than 44 ⁇ .
  • the particle size distribution of the powders in this document varies according to the origin of the biomass. For example, in the case of wood particles, less than 5% by weight of the particles have a size greater than or equal to 177 ⁇ m and at least 30% by weight, a size of less than 74 ⁇ m.
  • WO 2009/158709 describes methods for preparing lignocellulosic biomass powders for use in combustion.
  • the powders have more or less heterogeneous particle size distributions.
  • 5% by weight of the particles have a size greater than or equal to 177 ⁇ and 15% by weight of the particles have a size of less than 74 ⁇ m.
  • 5% of the particles have a size greater than or equal to 74 ⁇ and at least 25% by weight, a size of less than 44 ⁇ .
  • the fine lignocellulosic biomass powders are not suitable for use in an internal combustion engine. Indeed, when the particles are too fine, they tend to assemble to form agglomerates that affect the quality of the combustion of these powders (incomplete combustion and / or slower, more difficult routing in the combustion chamber, etc.).
  • the present invention is specifically intended to meet these needs by providing a solid fuel, in the form of a powder, characterized in that it comprises at least one lignocellulosic constituent in the form of a powder (P) of which:
  • the mean diameter and the median diameter (d 50 ) of the particles are less than or equal to 35 ⁇ , preferably between 10 and 30 ⁇ , more preferably between 10 and 20 ⁇ , limits included, and
  • the moisture content of the particles of the powder (P) is at most 15% by weight, preferably at most 10% by weight, more preferably less than or equal to 5% by weight, even more preferably lower, or equal to 2% by weight of water, relative to the total mass of the powder (P).
  • the combustion rate of the fuel according to the invention is high, comparable to that of diesel fuel for example, causing a production of energy and / or a release of heat also high and comparable to that of diesel.
  • Solid fuels according to the invention thus allow operation at high speed of rotation of the engines.
  • the improved rheological characteristics of the powder (P) make it easier to convey the powdery solid fuel according to the invention to the combustion chamber and a better homogeneity of the explosive cloud formed in the combustion chamber.
  • the characteristics of the powders (P), in particular of size (average diameter and median diameter) and of composition, in particular moisture, allow a large compaction of the pulverulent solid fuel according to the invention making it possible to reduce the space required. storage of it.
  • lignocellulose as a motor fuel has the advantage that the C0 2 produced does not constitute an environmental surplus, unlike that which is rejected by the use of fossil fuels.
  • the process for manufacturing the powder (P) according to the invention makes it possible to remain in a "dry route" stream, thus having the advantage of not generating effluents.
  • lignocellulosic constituent is a biomass of plant origin, composed of lignin, hemicellulose and cellulose in varying proportions.
  • plant origin includes all compounds produced by living plant organisms.
  • the lignocellulosic constituent of the invention that can be used in the context of the invention can come from herbaceous plants, algae, microalgae, cereal straws, wood, wood from culture for energy purposes, wood from waste ( carpentry, construction, etc.), other waste of agricultural origin (olive stones, rice husks, etc.), stationery waste, wood and cardboard packaging waste.
  • the lignocellulosic component of the invention is derived from cereal straws, in particular wheat straw, barley straw, oat straw, rye straw, straw rice, and any other straw.
  • cereal straws in particular wheat straw, barley straw, oat straw, rye straw, straw rice, and any other straw.
  • the fuel according to the invention comprises at least one lignocellulosic constituent which contains:
  • Cellulose can be in its various forms: microcrystalline and / or amorphous.
  • the average and median diameters ( ⁇ $ ⁇ ) of the lignocellulosic constituents of the invention were measured by the laser particle size measurement method with a Mastersizer 2000 apparatus from Malvern.
  • the mean diameter is the diameter calculated by the device software and is representative of the diameter that particles, whose size is measured, have, on average.
  • the median diameter (d 50 ) corresponds to the particle size at which 50% by mass of the particles constituting the powder (P) and whose size is measured, have a smaller size, and 50% by mass of the particles constituting the powder ( P) and whose size is measured, have a larger size.
  • the particle size distribution of the powder (P) constituting the fuel of the invention is also an important criterion.
  • the particle size distribution of the particle size of the powder (P) is narrow, that is to say that the fuel according to the invention contains the least possible of different particle size populations.
  • the fuel according to the invention more than 70% by weight, preferably 80% by weight, more preferably 90% by weight of the powder (P) consists of particles having a mean diameter and a median diameter. (d 5 o) less than or equal to 35 pm, preferably between 10 and 30 ⁇ , more preferably between 10 and 20 ⁇ .
  • the moisture content is another important characteristic of the powder (P).
  • moisture content means the quantity of water expressed as a percentage by weight of water present in the particles of the powder (P). It is determined by the standard AFNO XP CEN / TS 14774-3.
  • the moisture content of the particles of the powder (P) is at most 15% by weight, preferably at most 10% by weight, more preferably less than or equal to 5% by weight, still more preferably less than or equal to 2% by weight of water, relative to the total mass of the powder (P).
  • the solid fuel according to the invention is characterized in that the lignocellulosic constituent in powder form (P) produces, after combustion, at most 10% by weight of ash, preferably between 0 and 10% by mass of ash. more preferably between 0 and 5% by weight, more preferably between 0 and 1% by weight, inclusive, with respect to the total mass of the powder (P).
  • ash means the inorganic basic residues obtained by complete combustion of the solid fuel according to the invention.
  • the composition of ash varies according to many parameters, which depend mainly on the plant species burned, parts of plants (bark, trunk, or young branches for example), the nature of the soil, as well as the time of the year during which these plants were harvested.
  • the ashes comprise mainly, for example, calcium oxide, potassium hydroxide, sodium hydroxide, magnesium oxide, silica, alumina, iron oxide, manganese oxide.
  • silica and alumina are the most abrasive compounds.
  • the solid fuel according to the invention is characterized in that the lignocellulosic constituent in powder form (P) contains, after combustion, at most 3% by weight of alumina, more preferably between 0 and 3% by weight. more preferably between 0 and 1% by weight, relative to the total initial mass of the powder (P).
  • the lignocellulosic constituent in the form of powder (P) contains, after combustion, at most 3% by weight of silica, preferably between 0 and 3% by weight, more preferably between 0 and 1% by weight, relative to the total initial mass of the powder (P ).
  • the ash results from the combustion of the lignocellulosic component of the invention, leading to the oxidation of the mineral elements contained in the lignocellulosic compounds s. Their rate is determined by the standard AFNOR XP CEN / TS 14775.
  • the low ash content especially silica and alumina, reduces the wear of feed equipment (pump, injector) and moving parts in contact with the fuel or with its combustion residues; it also allows better control of the risks associated with the high explosiveness of these powders. This leads to a satisfactory combustion of the fuel, adapted to the operation of an internal combustion engine and / or a burner.
  • One of the advantageous characteristics of the solid fuel of the invention is the high content of volatile matter emitted by the fuel at the start of combustion.
  • volatile materials means gaseous compounds, condensable or not, which are emitted by the lignocellulosic component of the powder (P) during its combustion, in particular at the beginning of its combustion. .
  • the onset of combustion is usually indicated by the first measurable heat release.
  • Volatiles are most often hydrocarbons, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, nitrogen oxides, etc.
  • the level of volatiles evolved can vary.
  • the evolution of the volatiles can begin at different temperatures. The lower this temperature, the sooner the combustion starts.
  • the fuel according to the invention is characterized in that the lignocellulosic constituent in powder form (P) emits, in the form of volatiles, at least 50% by weight, preferably between 50 and 70% by weight, more preferably between 70 and 80% by weight, more preferably between 80 and 100% by weight of volatiles, relative to the total mass of the powder (P).
  • the level of volatiles generated is, in general, determined by the volatiles index. This index refers to the volatile organic matter fraction according to the AFNOR XP CEN / TS 15148 standard.
  • the high rate of volatile matter makes it possible to improve the quality and the progress of the combustion.
  • the higher the rate of volatiles the higher the share of the original fuel that can burn rapidly.
  • the subject of the invention is also a process for preparing a lignocellulosic constituent in the form of a powder (P) of which:
  • the mean diameter and the median diameter (d 50 ) of the particles are less than or equal to 35 ⁇ , preferably between 10 and 30 ⁇ , more preferably between 10 and 20 ⁇ , limits included, and
  • the moisture content of the particles is at most 15% by weight, preferably at most 10% by mass, more preferably less than or equal to 5% by mass, even more preferably less than or equal to 2% by weight; water mass, relative to the total mass of the powder (P),
  • cereal straws comprising at least one step of grinding cereal straw and optionally at least one drying step.
  • the number of grinding stages will depend, for example, on the nature of the lignocellulosic constituent to be ground, on the particle size of the powder (P) that one wishes to obtain, on the type of grinder used and therefore on the grinding efficiency. .
  • the process for preparing a lignocellulosic constituent in the form of a powder (P) comprises the following steps:
  • step (I) a first step of grinding cereal straw to obtain a powder (A) whose mean diameter and the median diameter (dso) of the particles are greater than 0 and go up to 3000 ⁇ , preferably between 200 and 3000 ⁇ , more preferably between 200 and 2000 ⁇ ;
  • a second step of grinding the powder (A) making it possible to obtain a powder (B) whose mean diameter and median diameter (dso) of the particles are less than or equal to 150 ⁇ , preferably less than or equal to at 135 ⁇ ;
  • step (iii) a third step of grinding the powder (B) resulting from step (ii) making it possible to obtain a powder (P) whose mean diameter and the median diameter (d 50 ) of the particles are less than or equal to 35 ⁇ , preferably between 10 and 30 ⁇ , more preferably lement-between 10 and 20 ⁇ ;
  • a drying step being implemented before step (iii), after the step
  • the raw cereal straw can be milled by any type of mill to reduce to a particle size greater than 0 and up to 3000 ⁇ , preferably between 200 and 3000 ⁇ more preferably between 200 and 2000 ⁇ , such as, for example, a knife or hammer mill.
  • the knife mill may be of the brand RETSCH ® .
  • step (i) The powder (A) resulting from step (i) may be subjected directly to a second grinding step (step (ii)).
  • the particles whose average diameter and the median diameter (dso) are less than 200 ⁇ are removed from the powder (A).
  • the removal of these particles can be carried out by any means of separation, for example, by sieving and / or by a sorting process such as for example an electrostatic sorting method (making it possible to sort the particles according to their chemical nature), a process sorting by turboseparation (making it possible to separate the particles by means of a flow of air).
  • the fraction whose average diameter and the median diameter (d 50 ) are less than 200 ⁇ corresponds to the external part of the stem which is, in general, more easily reduced because it is richer in minerals. Its elimination reduces, for example, the ash rate.
  • the powder (A) directly from step (i), or after the separation step, is subjected to a second milling step (ii) .
  • This step can be carried out using a pallet mill. for example, like that of the brand HOSOKAWA model Alpine 100 UPZ rotating at 18,000 revolutions / minute and with a straw introduction rate from step (i) of 1 kg / h.
  • This step makes it possible to obtain a powder (B) whose average diameter and the median diameter (d 5 o) of the particles are less than or equal to 150 ⁇ , preferably less than or equal to 135 ⁇ .
  • the particles whose average diameter and the median diameter (d 5 o) are less than 20 ⁇ can optionally be removed from the powder (B ).
  • the removal of these particles can be carried out by any means of separation, for example, by sieving and / or by a sorting process as described above.
  • the powder (B) may optionally be sorted in order to obtain a fraction more or less rich in lignin and / or cellulose.
  • the powder (B) from step (ii) can then be dried at a temperature between 30 and 120 ° C, preferably between 50 and 100 ° C.
  • the drying time can be from 2 to 72 hours, preferably from 4 to 48 hours.
  • the powder (B) has a moisture content of less than 10% by weight, preferably less than 5% by weight, even more preferably less than or equal to 2% by weight of water, relative to the total mass of the powder.
  • the powder (B) is then subjected to a third grinding step (step (iii)) to obtain a powder (P) whose mean diameter and the median diameter (d 50 ) of the particles are less than or equal to 35 ⁇ , of preferably between 10 and 30 ⁇ , more preferably between 10 and 20 ⁇ .
  • This step can be carried out by a slow grinding technique, for example, by means of a ball mill as shown in FIG. 1, or by a rapid grinding technique, for example, by means of a jet mill. air as shown in Figure 2.
  • the ball mill comprises a jar 1 containing ceramic balls 2 and the product to be ground 3.
  • the jar 1 is rotated in the direction of the arrow.
  • the shocks caused by the balls 2 cause the particle size reduction of the product 3.
  • the addition of the dotted line represents the trajectory of the balls.
  • the air jet mill projects at very high speed and against each other, the particles to grind 3.
  • the collisions between the particles are represented by the arrow 9.
  • the compressed air is injected in the grinding chamber 5 via the nozzles 6.
  • the grinding particles 3 are introduced by means of the supply line 4.
  • the particles 3 are fluidized. Then the accelerated particles mix at the point of convergence where many jets of air also mingle with each other. Inter-particle collisions generate ultrafine particles.
  • the duration of this grinding operation can be adapted to the desired final grain size.
  • the duration of the grinding step (iii) can be between 1 to 240 hours, preferably between 12 and 216 hours, and even more preferably between 48 and 216 hours.
  • the grinding temperature at this stage is advantageously less than or equal to 25 ° C, preferably between -10 and 15 ° C. These temperature ranges favor the grinding of the powder (B) because at these temperatures, the lignocellulosic fibers are rigid and therefore more fragile.
  • the grinding of the powder (B) may be further promoted by grinding in the presence of compounds which weaken said powder. Still with the aim of promoting the grinding of the powder (B), said powder may be subjected to acidic or basic treatment prior to grinding or during grinding.
  • the third grinding step (iii) can be carried out, preferably under an inert atmosphere, by example under argon, nitrogen and / or C0 2 .
  • a drying step is carried out before step (iii), after step (iii), or before and after step (iii).
  • the drying which takes place before and / or after step (iii), is carried out at a temperature of between 30 and 120 ° C., preferably between 50 and 100 ° C.
  • the drying can be carried out for 2 to 72 hours, preferably for 4 to 48 hours.
  • the method of the invention satisfies at least one of the following conditions:
  • step (iii) is carried out at a temperature of between 30 and 120 ° C, preferably between 50 and 100 ° C,
  • step (iii) is carried out for from 2 to 72 hours, preferably from 4 to 48 hours,
  • the powder (B) after drying before step (iii), has a moisture content of less than 10% by weight, preferably less than 5% by weight, more preferably less than 2% by weight, relative to the total weight of the powder,
  • the duration of the third grinding stage (iii) is between 1 to 240 hours, preferably between 12 and 216 hours, and more preferably between 48 and 216 hours,
  • the third grinding step (iii) is carried out at a temperature of less than or equal to 25 ° C, preferably between -10 and 15 ° C,
  • the third grinding step (iii) is carried out under an inert atmosphere which may be argon, nitrogen and / or C0 2 ,
  • the particles whose average diameter and the median diameter (dso) are less than 200 ⁇ are removed from the powder (A) by sieving and / or by a sorting method as described above, before step (iii), the particles whose average diameter and the median diameter (dso) are less than 20 ⁇ may optionally be removed from the powder (B) by sieving and / or by a sorting method as described previously.
  • a selective sorting of the particles from step (iii) can be carried out by a sorting process as described above, in order to obtain different populations of powders in order to improve their qualities as a motor fuel. .
  • a population of sorted particles having a higher lignin content and thus a higher calorific value can be selected.
  • the process according to the invention is simple and economical.
  • the powder (P) obtained according to the process of the invention can be used directly, without further processing or treatment, as a fuel.
  • the invention also relates to the use of a lignocellulosic constituent in the form of a powder (P) whose mean diameter and the median diameter (d 50 ) of the particles are less than or equal to 35 ⁇ , preferably included between 10 and 30 ⁇ , more preferably between 10 and 20 ⁇ , obtained according to the process of the invention, for the manufacture of a solid fuel intended for an internal combustion engine.
  • the fuel according to the invention can be used alone or mixed with other fuels. It can be used, for example, for the operation of internal combustion engines whether spark ignition or diesel, for the operation of turbines, boilers, industrial furnaces involving burners.
  • the fuel of the invention is to be used alone, optionally in suspension, for example in air to produce a fuel mixture.
  • the proportion of the fuel of the invention in a liter of air can then be, for example, 200 mg of fuel in one liter of air.
  • This value is the minimum ignition concentration, and may vary depending on the fuel composition considered. It corresponds to the stoichiometric value leading to complete combustion.
  • the discharges produced during the combustion of the fuel according to the invention do not contain lead.
  • the quantities of sulfur released by the combustion of a lignocellulosic powder are considerably limited compared to a fossil fuel. On average, they can be less than a factor of 10.
  • the fuel according to the invention can be used without major modification of the current internal combustion engines.
  • the fuel of the invention still has many advantages. It is economically more advantageous than refined petroleum products and liquefied gases, it is available in abundance, it is an indefinitely renewable source of energy. It is biodegradable, neutral for the greenhouse effect and easily storable.
  • composition of the fuel combustion waste of the invention includes C0 2 as liquid hydrocarbons
  • combustion of the fuel of the invention only restores the C0 2 absorbed during the growth of the fuel.
  • cereals whose lignocellulosic component of said fuel is derived unlike products of fossil origin that massively move the carbon reserves of the subsoil to the atmosphere.
  • the energy produced by this process is advantageously thermal energy that can lend itself to any conversion mode.
  • the proportion of the solid fuel with respect to the oxidizing gas in the suspension may be, for example, 1 part of solid fuel for 7 parts of gas, by mass.
  • controlled flow means the flow of solid fuel in powder form. By modulating the flow of solid fuel, energy production can be modulated.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of the ball mill. This type of grinding consists in rotating a jar 1 containing ceramic balls 2 and the product to be ground 3. Shocks caused by the balls cause the particle size reduction of the product.
  • - Figure 2 shows a schematic diagram of the air jet mill. This type of grinding consists in projecting at very high speed and against each other, the particles to grind.
  • FIG. 3 represents the progress of the various steps of the variant of the method according to the invention, as described in Example 1.
  • FIG. 4 represents the comparative pressures of the straw according to the invention, diesel fuel and those obtained in the absence of fuel, measured in the engine cylinder during the operating cycle, at 790 rpm, 13 Nm ( in Joules / DV).
  • the pressure, expressed in bar, is represented on the ordinate and the displacement of the piston, expressed in degrees crankshaft (DV), is represented on the abscissa.
  • FIG. 5 shows the rate of heat release (ordinate and expressed in Joules / DV) calculated on the basis of pressure cycles obtained in the absence of fuel, with diesel injection and with feeding by the admission of powder of straw only, the displacement of the piston, expressed in degrees crankshaft (DV), is represented in abscissa.
  • Wheat straw has been identified as a valuable source of dry biomass because of its high availability and residual character.
  • the speed of combustion being controlled by the fineness of the material, it was a question of grinding up to the micron scale a lot of straw originating from the region of Tarn (81430 Le Fraysse).
  • the grinding operations of the wheat straw took place in several stages as represented in FIG. 3, starting from the original boot.
  • the straw was first milled with a knife mill (RETSCH SM 100). This operation allowed to reduce the particle size and to obtain particles whose average diameter and median diameter (d 50 ) are greater than 0 and go up to 2000 microns.
  • the ash content was reduced by sieving, eliminating the fraction less than 200 microns, which corresponds to the outer part of the stem, more easily reduced because richer in minerals.
  • the straw was fed into a HOSOKAWA Alpine 100 UPZ pallet mill at room temperature (about 20 ° C). This operation made it possible to reduce the particle size up to a hundred microns (the average diameter and the median diameter (d 5 o)).
  • This type of grinding shown schematically in FIG. 1, consists of rotating a jar 1 containing ceramic balls 2 and the grinding product 3. The shocks caused by the balls 2 cause the particle size reduction of the product.
  • the ball mill used is the model Marne 0 No. 55 distributed by the company FAURE.
  • the operations took place in a cold room, maintained at 5 ° C.
  • the jar containing 1/3 powder B, 1/3 alumina balls and 1/3 air by volume was rotated 1 turn / second in 24 hour increments, after which a sample was taken.
  • the air was replaced by argon; the other effect being to control the oxidation of the product.
  • the grinding operation is as follows: 1 kilogram of straw powder (B) is inserted in an 8 liter ceramic jar in the presence of 4 kilograms of alumina balls of 17 mm diameter and 4 kilograms of pellets. diameter 25 mm. After 48 hours, the balls are changed to 4 kilograms of 9 mm diameter balls and 4 kilograms of 7 mm diameter balls. This has the effect of optimizing grinding by reducing the space between the balls and thus increasing shocks causing grinding.
  • This type of grinding shown schematically in FIG. 2, consists in projecting the particles to be grinded at a very high speed and against each other. This technology offers the advantage of not affecting the chemical characteristics of the material.
  • the air jet mill used is the 100 AFG model from HOSO AWA Alpine.
  • Particles having a mean diameter and a median diameter (d 50 ) of 20 microns were obtained with a feed rate of approximately 700 g / hour (ie 20 rpm for the hopper) and a speed of rotation of the selector. 6000 rpm.
  • Particles having a mean diameter and a median diameter (d 50 ) of 10 microns were obtained at about 200 g / hour (ie 6 rpm for the hopper) and the selector set at 12000 rpm. Characterization of powders
  • the straw powders obtained at the end of the second grinding step (vane crusher) and at the end of the third grinding step with a ball mill (straw-balls and straw-balls 20) and with a air jet mill (air-straw-10 and air-jet straw-20) were characterized, compared with each other and compared with the following commercial plant powders: microcrystalline cellulose (Serva-Electrophoresis), crystalline parts of the cellulosic portion of plant fibers, median diameter 23 microns (d 5 o) and poorly dispersed;
  • alpha-cellulose Sigma-Aldrich
  • amorphous part of the cellulosic part of the plant fibers interconnecting the crystalline zones, median diameter 65 microns (d 5 o);
  • lignin (Sigma-Aldrich), obtained by kraft process, with a high sodium content and about 3% sulfur, median diameter 100 microns (d 5 o);
  • wheat starch Prolabo
  • d 50 diameter 23 microns
  • corn starch (Maizena), spherical grains, median diameter 20 microns (d 50 ).
  • Non-commercial powder was also used:
  • Ultracarbofluid dry residue of vegetable charcoal used in slurry
  • bimodal particle size distribution probable agglomeration of particles of median diameter (d 50 ) 18 microns in clusters of 350 microns.
  • the fuel powders according to the invention do not compete with the food chain in terms of agricultural land use.
  • the fuel powders according to the invention cause a lower wear of the systems used for their conversion into energy, unlike the coal powders used in the past.
  • the fuel powders according to the invention allow better control of the risks associated with their handling thanks to their particular rheological properties.
  • the fuel powders according to the invention allow optimized storage thanks to their particle size properties (low dispersion and micron size), allowing their compaction.
  • the fuel powders according to the invention do not require advanced storage conditions.
  • the production of the fuel powders according to the invention is therefore possible at a lower cost, and in a simple way, which extends the scope of their use to developing countries and to isolated areas whatever they are, unlike the fossil fuels of any kind, including coal powders.
  • the production by simple grinding in the dry process of the fuel powders according to the invention does not generate liquid or gaseous effluents, impacting the environment.
  • the energy conversion of the fuel powders according to the invention does not add C0 2 to the environmental balance, unlike any fossil fuels, including coal powders.
  • the conversion into energy of the fuel powders according to the invention generates no or few sulfur compounds, unlike any fossil fuels, and in particular coal powders.
  • the conversion into energy of the fuel powders according to the invention in an internal combustion engine extends to high-speed applications and especially transport, unlike coal powders.
  • the conversion into energy of the fuel powders according to the invention in an internal combustion engine can extend to high power applications, unlike coal powders, especially in suspension.
  • the engine on the test stand is a four-stroke diesel model Hatz
  • An injection pressure sensor (Kistler 4067B2000) is mounted on the supply line of the injector.
  • the injection pressure is not a paramount parameter, it is reported for the sole purpose of indicating the presence or absence of diesel.
  • An angular encoder (Kistler 2614A) is mounted on the motor shaft. It returns one lap per lap, which is positioned in top dead center (TDC) and one top per half-degree crankshaft, which is used to clock the acquisition.
  • the LabView 2010 software is used for data acquisition. The pressures and temperatures as well as the speed and torque are recorded and displayed according to the acquisition point.
  • Figure 5 shows the heat release calculated on the basis of the pressure cycles obtained in the absence of fuel, with diesel fuel injection and fed by the intake of straw powder only.
  • the release of heat postpones the amount of heat emitted by the combustion of the straw according to the invention and diesel in joules / DV, and as a function of time. In order to be able to locate the different phases of this clearance in the motor rotation cycle, this time is reported in crankshaft degree (DV).
  • crankshaft degree (DV) crankshaft degree
  • the product of the devolatilization of the straw particle is coal, which burns more slowly (the diffusion of oxygen in its pores controls combustion). This explains the prolongation of the release of heat over time.
  • the burning speed of the straw powder does not limit the engine speed at least up to 3200 revolutions / minute.
  • the engine rises to 34 Nm, or more than 90% of the maximum allowed diesel torque.
  • Example 3 Comparative Test Between Powder and Powdered Chocolate A comparative test was carried out with the engine described in Example 2. Wheat straw milled to 20 microns (powder (P) according to the invention ) has been compared to commercial chocolate powder, whose particle size distribution is similar to that used in application WO 01/98438 (see Table 1).
  • test conditions were as follows: the engine was started on diesel, and stabilized at 1000 rpm at zero load, the powder was fed through the intake pipe at a rate of 4 kg / h, and the feed diesel is cut.
  • the fuel powders according to the invention do not compete with the food industry.
  • the fuel powders according to the invention are suitable for use in any type of internal combustion engine for their conversion into energy, unlike the chocolate powders used in the application WO 01/98438.

Abstract

La présente invention se rapporte à un carburant solide, sous la forme d'une poudre, comprenant au moins un constituant lignocellulosique sous la forme d'une poudre. La présente invention se rapporte également au procédé de préparation dudit constituant lignocellulosique sous la forme d'une poudre, ainsi que son utilisation pour la fabrication d'un carburant solide destiné à un moteur à combustion interne ou à un brûleur. L'invention a, en outre, pour objet un procédé de production d'énergie mettant en œuvre le carburant solide selon l'invention,

Description

CARBURANT SOLIDE SOUS FORME D'UNE POUDRE
COMPRENANT UN CONSTITUANT LIGNOCELLULOSIQUE
La présente invention se rapporte à un carburant solide, sous forme d'une poudre, comprenant au moins un constituant lignocellulosique sous forme d'une poudre.
La présente invention se rapporte également au procédé de préparation dudit constituant lignocellulosique sous forme d'une poudre, ainsi que son utilisation pour la fabrication d'un carburant solide destiné à un moteur à combustion interne ou à un brûleur.
L'invention a, en outre, pour objet un procédé de production d'énergie mettant en œuvre le carburant solide selon l'invention.
Par le passé, de nombreux travaux ont porté sur le développement de carburants alternatifs pour moteur à combustion interne (MCI) pour pallier aux difficultés d'approvisionnement en pétrole lors de la seconde guerre mondiale ou lors des chocs pétroliers des années 1970.
Outre la perspective d'une crise des ressources en hydrocarbures fossiles, le dérèglement climatique a conduit les scientifiques à s'intéresser de plus en plus à l'énergie tirée de la biomasse.
Les technologies développées pour la production de carburants de remplacement aux produits pétroliers et gaziers, pour l'usage en moteur ou brûleur, ont très majoritairement concerné la production de carburants liquides ou gazeux, ces derniers ne nécessitant que peu ou pas de modification des moteurs type essence ou diesel déjà existants sur le marché mondial. Ces technologies peuvent se révéler coûteuses et complexes.
A cela s'ajoutent les problèmes liés au stockage et/ou au transport de ces carburants.
L'utilisation d'un carburant solide est une alternative intéressante. Ainsi, l'utilisation de charbon d'origine minière comme carburant solide pour moteur à combustion interne, a fait l'objet de diverses études, en grande partie du fait de sa disponibilité dans le monde. Compte tenu des difficultés à maintenir une suspension homogène de poussière de charbon dans l'air (agglomération, blocage), les travaux menés à partir de la seconde guerre mondiale se sont focalisés sur les mélanges charbon minéral/gazoîe et charbon minéral/eau, dont l'écoulement, et donc l'alimentation, au moteur sont plus aisément contrôlables. Ce choix technologique a permis d'alléger les contraintes occasionnées par les poudres sèches. En revanche, l'ajout d'une étape de production du mélange (ou slurry) au procédé a réduit l'intérêt économique présenté par l'utilisation directe d'un combustible solide brut broyé par rapport aux carburants de synthèse liquides ou gazeux, obtenus via des procédés coûteux et complexes de conversion thermochimique ou biochimique. Par ailleurs, les travaux de Bell S. R. et al. (Fuel, vol. 67, pages 474-481, 1988) concluent que les mélanges ou slurry à base de charbon ne permettent pas une utilisation à haut régime des moteurs, limitant le champ de leurs applications.
Compte tenu de la composition et des propriétés des poudres végétales, la possibilité d'utiliser directement la biomasse, notamment la biomasse lignocellulosique, en moteur ou en brûleur, sous forme de poudre fine, offre une alternative intéressante au charbon minéral. En effet, au contraire du charbon minéral utilisé par le passé, la teneur des matériaux lignocellulosiques en composés minéraux abrasifs est relativement faible, et leur volatilité bien plus importante. Ainsi, l'utilisation de matériaux lignocellulosiques peut réduire les contraintes occasionnées dans un moteur par l'utilisation du charbon sous forme de poudre.
L'utilisation des matériaux cellulosiques permettrait, en particulier, la réduction de l'usure du moteur et l'augmentation de la vitesse et de la qualité de la combustion.
En outre, le caractère explosif des poudres végétales est connu de longue date (Amyotte P.R. et al. Journal of Chemical Health and Safety, pages 15-28, 2010). De nombreux accidents survenus dans les industries agroalimentaires (silos à farine, etc.) et de découpe du bois (sciures) ont conduit à un grand nombre d'études décrivant les phénomènes d'explosion liés (Abbasi T. et al, Journal of Hazardous Materials, 140, pages 7-44, 2007). Le caractère explosif de ces poudres peut être avantageux et intéressant pour leur utilisation dans un moteur, s'il est maîtrisé.
Des travaux concernant l'usage de biomasse sous forme de poudre sèche en moteur à combustion interne ont été récemment décrits. WO 01/98438 décrit un carburant solide contenant majoritairement au moins un constituant, qui contient principalement au moins un composé sélectionné dans le groupe constitué par l'amidon, le lactose, la cellulose et au moins 15 % en poids de glucides par rapport au poids total du (des) constituant s) étant sous forme d'une poudre dont le diamètre moyen et le diamètre médian des particules sont supérieurs ou égaux à 150 pm, de préférence entre 150 et 500 μηι. Les poudres exemplifiées sont la poudre de chocolat déshydratée, la poudre de lait déshydraté, et la fraction de remoulage d'une farine de blé. Les poudres décrites dans cette demande présentent l'inconvénient d'entrer en concurrence avec la filière alimentaire. Par ailleurs, ne pouvant pas fonctionner dans les conditions d'auto allumage, les poudres décrites dans cette demande ne peuvent constituer une solution adaptée à de nombreuses applications moteur.
WO 2008/063549 décrit des carburants, sous forme d'une poudre de biomasse ayant une distribution granulométrique relativement hétérogène, à savoir, moins de 5% en poids des particules ont une taille supérieure ou égale à 74 μηι et au moins 25% en poids, une taille inférieure à 44 μπι. La distribution granulométrique des poudres dans ce document varie selon l'origine de la biomasse. Par exemple, dans le cas de particules de bois, moins de 5% en poids des particules ont une taille supérieure ou égale à 177 pm et au moins 30% en poids, une taille inférieure à 74 μπι. Dans le cas de particules de biomasse résineuse, moins de 5% en poids des particules ont une taille supérieure ou égale à 297 μιη, moins de 15% en poids des particules ont une taille supérieure ou égale à 177 pm et au moins 20% en poids, une taille inférieure à 74 μη . Avec une poudre issue de la biomasse herbacée, moins de 5% en poids des particules ont une taille supérieure ou égale à 74 μιη, au moins 65% en poids des particules ont une taille inférieure à 44 μτη, et au moins 25% en poids des particules ont une taille inférieure à 37 μιη. L'hétérogénéité de la distribution granulométrique des poudres dans ce document peut s'avérer préjudiciable à une bonne conversion de ces poudres en énergie, à une qualité de combustion adaptée au fonctionnement d'un moteur.
WO 2009/158709 décrit des méthodes de préparation de poudres de biomasse lignocelluiosique destinées à une utilisation en combustion. Selon le niveau d'énergie et d'explosibilité souhaité pour le carburant, les poudres ont des distributions granulométriques plus ou moins hétérogènes. Par exemple, pour un combustible de chauffage, 5% en poids des particules ont une taille supérieure ou égale à 177 μπι et 15% en poids des particules ont une taille inférieure à 74 um. Pour un carburant explosible, au moins 5% des particules ont une taille supérieure ou égale à 74 μηι et au moins 25% en poids, une taille inférieure à 44 μτα. Dans le cas d'un carburant de très haute énergie et très explosible, au moins 50% des particules possèdent une taille inférieure à 44 μπι et au moins 15% en poids, une taille inférieure à 37 μηι. Sur la base de ce document, il apparaît donc que plus la taille des particules est petite et moins la distribution granulométrique est hétérogène, plus les particules de biomasse ont une énergie et une explosivité élevée. Toutefois, une explosivité élevée, en particulier lorsqu'elle n'est pas maîtrisée, ne se traduit pas forcément en une bonne conversion des poudres en énergie et donc une combustion adéquate pour le bon fonctionnement du moteur.
II est à noter que les poudres de biomasse lignocellulosique trop fines ne sont pas adaptées à une utilisation en moteur à combustion interne. En effet, lorsque les particules sont trop fines, elles ont tendance à s'assembler pour former des agglomérats qui nuisent à la qualité de la combustion de ces poudres (combustion incomplète et/ou moins rapide, acheminement plus difficile dans la chambre de combustion, etc.).
Il existe donc un réel besoin d'un carburant solide, sous la forme d'une poudre, palliant les inconvénients de l'art antérieur.
En particulier, il existe un réel besoin pour développer un carburant solide, sous forme d'une poudre issue de la biomasse, destiné à un moteur à combustion interne ou à un brûleur,
qui permette une conversion complète et ou rapide de la poudre,
qui permette un meilleur contrôle des risques liés à la forte explosivité de ces poudres,
qui présente de meilleures caractéristiques rhéologiques, facilitant l'acheminement du carburant dans la chambre de combustion ainsi qu'une meilleure homogénéité du nuage explosif formé dans la chambre de combustion, qui permette de réduire les contraintes occasionnées par l'utilisation d'un carburant, sec, sous forme de poudre dans un moteur, comme, par exemple, les contraintes liées à l'alimentation, à la combustion incomplète du carburant, à l'usure des équipements d'alimentation (pompe, injecteur) et des pièces mobiles en contact avec le carburant ou avec ses résidus de combustion, qui puisse être facilement transporté et/ou stocké, et/ou
qui puisse être obtenu par des procédés peu coûteux et simples qui n'impliquent pas de conversion thermochimique ou biochimique complexe. La présente invention a précisément pour but de répondre à ces besoins en fournissant un carburant solide, sous forme d'une poudre, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un constituant lignocellulosique sous forme d'une poudre (P) dont :
le diamètre moyen et le diamètre médian (d50) des particules sont inférieurs ou égaux à 35 μιη, de préférence compris entre 10 et 30 μηι, plus préférentiellement entre 10 et 20 μηι, bornes incluses, et
le taux d'humidité des particules de la poudre (P) est d'au plus 15% en masse, de préférence d'au plus 10% en masse, plus préférentiellement inférieur ou égal à 5% en masse, encore plus préférentiellement inférieur ou égal à 2% en masse d'eau, par rapport à la masse totale de la poudre (P).
Du fait de la petite taille des particules de la poudre (P), de leur distribution granulométrique homogène et de leur taux d'humidité, la vitesse de combustion du carburant selon l'invention est élevée, comparable à celle du gazole par exemple, occasionnant une production d'énergie et/ou un dégagement de chaleur également élevé et comparable a celui du gazole.
Les carburants solides selon l'invention permettent ainsi, un fonctionnement à haut régime de rotation des moteurs.
Par ailleurs, les caractéristiques des poudres (P), en particulier de taille (diamètre moyen et le diamètre médian) et de composition notamment l'humidité, permettent une conversion complète et/ou du carburant solide, sous forme de poudre.
Les caractéristiques rhéologiques améliorées de la poudre (P), permettent un acheminement plus facile du carburant solide pulvérulent selon l'invention dans la chambre de combustion ainsi qu'une meilleure homogénéité du nuage explosif formé dans la chambre de combustion.
En outre, les caractéristiques des poudres (P), en particulier de taille (diamètre moyen et le diamètre médian) et de composition notamment l'humidité, permettent une compaction importante du carburant solide pulvérulent selon l'invention permettant de diminuer l'espace nécessaire au stockage de celui-ci.
De plus, l'utilisation de lignocellulose comme carburant moteur présente l'avantage que le C02 produit ne constitue pas un excédent environnemental, au contraire de celui qui est rejeté par l'utilisation de carburants fossiles.
De plus, le procédé de fabrication de la poudre (P) selon l'invention, permet de rester dans une filière « voie sèche », présentant ainsi l'avantage de ne pas générer d'effluents.
Ces avantages constituent autant de facteurs favorables à l'utilisation de poudres lignocellulosiques (P) selon l'invention, en moteur à combustion interne ou en brûleur.
Dans le cadre de la présente invention, par constituant lignocellulosique, on entend une biomasse d'origine végétale, composée de lignine, d'hémicellulose et de cellulose en proportions variables. Le terme « origine végétale » comprend tous les composés produits par des organismes végétaux vivants.
Le constituant lignocellulosique de l'invention utilisable dans le cadre de l'invention peut provenir des herbacés, des algues, des microalgues, des pailles de céréales, du bois, du bois issu de culture à des fins énergétiques, du bois issu de déchets (menuiserie, construction, etc.), des autres déchets d'origine agricole (noyaux d'olives, balle de riz, etc.), des déchets de papeterie, des déchets d'emballage bois et carton.
De préférence, le constituant lignocellulosique de l'invention, est issu de pailles de céréales, en particulier, de la paille de blé, de la paille d'orge, de la paille d'avoine, de la paille de seigle, de la paille de riz, et de toute autre paille. L'un des avantages de cette typologie de produits est de ne pas entrer en concurrence avec les cultures à but alimentaire, puisque la plante offre à la fois un usage alimentaire (farines contenues dans la graine) et un usage à des fins énergétiques. Ainsi, le carburant selon l'invention comprend au moins un constituant lignocellulosique qui contient :
- au plus 100% en masse de lignine, par rapport à la masse totale de la poudre - au plus 100% en masse de cellulose, par rapport à la masse totale de la poudre
(P), et
- au plus 100% en masse d'hémicellulose, par rapport à la masse totale de la poudre (P).
La cellulose peut être sous ses différentes formes : microcristalline et/ou amorphe.
Les diamètres moyens et médians (ά$ο) des constituants lignocellulosiques de l'invention ont été mesurés par la méthode de mesure de granulométrie laser avec un appareil Mastersizer 2000 de la société Malvern.
Le diamètre moyen est le diamètre calculé par le logiciel de l'appareil et est représentatif du diamètre que les particules, dont la taille est mesurée, ont, en moyenne.
Le diamètre médian (d50) correspond à la taille des particules à laquelle 50% en masse des particules constituant la poudre (P) et dont la taille est mesurée, ont une taille inférieure, et 50% en masse des particules constituant la poudre (P) et dont la taille est mesurée, ont une taille supérieure.
Plus le diamètre moyen et le diamètre médian (d5o) sont proches, plus la poudre dont la taille des particules est mesurée, est homogène en taille.
En effet, la distribution granulométrique de la poudre (P) constituant le carburant de l'invention, est également un critère important.
Avantageusement, dans la présente invention, la distribution granulométrique de la taille des particules de la poudre (P) est étroite, c'est-à-dire que le carburant selon l'invention contient le moins possible de populations granulométriques différentes. Cela signifie que, dans le carburant selon l'invention, plus de 70% en masse, de préférence 80% en masse, plus préférentiellement 90% en masse de la poudre (P) est constitué de particules ayant un diamètre moyen et un diamètre médian (d5o) inférieurs ou égaux à 35 pm, de préférence compris entre 10 et 30 μιη, plus préférentiellement entre 10 et 20 μιη. Comme déjà indiqué, le taux d'humidité est une autre caractéristique importante de la poudre (P).
Au sens de l'invention, par taux d'humidité on entend la quantité d'eau exprimée en pourcentage en masse d'eau, présent dans les particules de la poudre (P). II est déterminé par la norme AFNO XP CEN/TS 14774-3.
Comme déjà indiqué, le taux d'humidité des particules de la poudre (P) est d'au plus 15% en masse, de préférence d'au plus 10% en masse, plus préférentiellement inférieur ou égal à 5% en masse, encore plus préférentiellement inférieur ou égal à 2% en masse d'eau, par rapport à la masse totale de la poudre (P).
Un autre avantage du carburant solide de l'invention est sa faible teneur en matières minérales, générant ainsi une faible teneur en cendres. Ainsi, le carburant solide selon l'invention, est caractérisé en ce que le constituant lignocellulosique sous forme de poudre (P) produit, après combustion, au plus 10 % en masse de cendres, de préférence entre 0 et 10% en masse de cendres, plus préférentiellement entre 0 et 5% en masse, encore plus préférentiellement entre 0 et 1% en masse, bornes incluses, par rapport à la masse totale de la poudre (P).
Au sens de l'invention, par « cendres » on entend les résidus basiques inorganiques obtenus par combustion complète du carburant solide selon l'invention.
La composition des cendres varie selon de nombreux paramètres, qui dépendent essentiellement des espèces végétales brûlées, des parties des plantes (écorce, tronc, ou jeunes branches par exemple), de la nature du sol, ainsi que de la période de l'année durant laquelle ces plantes ont été récoltées. Dans le cadre de l'invention, les cendres comprennent majoritairement, par exemple, de l'oxyde de calcium, de la potasse, de la soude, de l'oxyde de magnésium, de la silice, de l'alumine, de l'oxyde de fer, de l'oxyde de manganèse. Parmi les composés inorganiques présents, la silice et l'alumine sont les composés les plus abrasifs. De préférence, le carburant solide selon l'invention, est caractérisé en ce que le constituant lignocellulosique sous forme de poudre (P) contient, après combustion, au plus 3% en masse d'alumine, plus préférentiellement entre 0 et 3% en masse, encore plus préférentiellement entre 0 et de 1% en masse, par rapport à la masse totale initiale de la poudre (P). En ce qui concerne le taux de silice, le carburant solide selon l'invention est caractérisé en ce que le constituant lignocellulosique sous forme de poudre (P) contient, après combustion, au plus 3% en masse de silice, de préférence entre 0 et 3% en masse, plus préférentiellement entre 0 et 1% en masse, par rapport à la masse totale initiale de la poudre (P).
Les cendres résultent de la combustion du constituant lignocellulosique de l'invention, conduisant à l'oxydation des éléments minéraux contenus dans les composés lignocellulosique s. Leur taux est déterminé par la norme AFNOR XP CEN/TS 14775.
La faible teneur en cendres, notamment en silice et en alumine, réduit l'usure des équipements d'alimentation (pompe, injecteur) et des pièces mobiles en contact avec le combustible ou avec ses résidus de combustion ; elle permet également un meilleur contrôle des risques liés à la forte explosivité de ces poudres. Cela conduit à une combustion satisfaisante du carburant, adaptée au fonctionnement d'un moteur à combustion interne et/ou d'un brûleur.
L'une des caractéristiques avantageuses du carburant solide de l'invention est la forte teneur en matières volatiles émises par le carburant en début de combustion.
Dans le cadre de l'invention, par « matières volatiles », on entend les composés gazeux, condensables ou non, qui sont émis par le constituant lignocellulosique de la poudre (P) au cours de sa combustion, en particulier au début de sa combustion. Le début de la combustion est généralement indiqué par le premier dégagement de chaleur mesurable. Les matières volatiles sont le plus souvent des hydrocarbures, de l'hydrogène, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, des oxydes d'azote etc. Selon la composition du constituant lignocellulosique de la poudre (P), le taux de matières volatiles dégagé peut varier. Selon la composition du constituant lignocellulosique de la poudre (P), le dégagement des volatiles peut débuter à différentes températures. Plus basse est cette température, plus tôt débute la combustion.
De préférence, le carburant selon l'invention est caractérisé en ce que le constituant lignocellulosique sous forme de poudre (P) émet, sous forme de volatiles, au moins 50 % en masse, de préférence entre 50 et 70 % en masse, plus préférentiellement entre 70 et 80 % en masse, encore plus préférentiellement entre 80 et 100 % en masse de volatiles, par rapport à la masse totale de la poudre (P). Le taux de matières volatiles dégagé est, en général, déterminé par l'indice de matières volatiles. Cet indice désigne la fraction de matière organique volatilisée suivant la norme AFNOR XP CEN/TS 15148.
Le fort taux en matières volatiles permet d'améliorer la qualité et le déroulement de la combustion. Plus il y a de volatiles, moins il y a de résidus solides carbonés (le charbon), lesquels brûlent plus lentement que les volatiles. En conséquence, plus le taux de volatiles est important, plus grande est la part du carburant originel susceptible de brûler rapidement.
L'invention a également pour objet un procédé de préparation d'un constituant lignocellulosique sous forme d'une poudre (P) dont :
le diamètre moyen et le diamètre médian (d50) des particules sont inférieurs ou égaux à 35 μηι, de préférence compris entre 10 et 30 μιη, plus préférentiellement entre 10 et 20 μηι, bornes incluses, et
- le taux d'humidité des particules est d'au plus 15% en masse, de préférence d'au plus 10% en masse, plus préférentiellement inférieur ou égal à 5% en masse, encore plus préférentiellement inférieur ou égal à 2% en masse d'eau, par rapport à la masse totale de la poudre (P),
à partir de pailles de céréales, comprenant au moins une étape de broyage de paille de céréales et éventuellement au moins une étape de séchage.
Le nombre d'étapes de broyage dépendra, par exemple, de la nature du constituant lignocellulosique à broyer, de la granulométrie de la poudre (P) que l'on souhaite obtenir, du type de broyeur utilisé et donc de l'efficacité du broyage.
Selon une variante de l'invention, le procédé de préparation d'un constituant lignocellulosique sous forme d'une poudre (P) comprend les étapes suivantes :
(i) une première étape de broyage de paille de céréales permettant d'obtenir une poudre (A) dont le diamètre moyen et le diamètre médian (dso) des particules sont supérieurs à 0 et vont jusqu'à 3000 μηι , de préférence entre 200 et 3000 μηι , plus préférentiellement entre 200 et 2000 μηι ; (ii) une deuxième étape de broyage de la poudre (A), permettant d'obtenir une poudre (B) dont le diamètre moyen et le diamètre médian (dso) des particules sont inférieurs ou égaux à 150 μηι, de préférence inférieurs ou égaux à 135 μηι ; (iii) une troisième étape de broyage de la poudre (B) issue de l'étape (ii) permettant d'obtenir une poudre (P) dont le diamètre moyen et le diamètre médian (d50) des particules sont inférieurs ou égaux à 35 μτη, de préférence compris entre 10 et 30 μιη, plus préférentiel lement-entre 10 et 20 μηι ; une étape de séchage étant mise en œuvre avant l'étape (iii), après l'étape
(iii), ou avant et après l'étape (iii).
Au cours de l'étape (i) du procédé, la paille de céréales brute peut être broyée par tout type de broyeur permettant de descendre à une granulométrie supérieurs à 0 et pouvant aller jusqu'à 3000 μπι , de préférence entre 200 et 3000 μηι , plus préférentiellement entre 200 et 2000 μηι, comme par exemple, un broyeur à couteaux ou à marteaux. Le broyeur à couteaux peut être de la marque RETSCH®.
La poudre (A), issue de l'étape (i), peut être soumise directement à une deuxième étape de broyage (étape (ii)).
De préférence, préalablement à l'étape (ii), les particules dont le diamètre moyen et le diamètre médian (dso) sont inférieurs à 200 μηι sont éliminées de la poudre (A). L'élimination de ces particules peut être effectuée par tout moyen de séparation, par exemple, par tamisage et/ou par un procédé de tri comme par exemple un procédé de tri électrostatique (permettant de trier les particules selon leur nature chimique), un procédé de tri par turboséparation (permettant de séparer les particules au moyen d'un flux d'air). La fraction dont le diamètre moyen et le diamètre médian (d50) sont inférieurs à 200 μπι, correspond à la partie externe de la tige qui est, en général, plus facilement réduite car plus riche en minéraux. Son élimination permet de réduire, par exemple, le taux de cendres.
La poudre (A) issue directement de l'étape (i), ou après l'étape de séparation, est soumise à une deuxième étape de broyage (ii).Cette étape peut se réaliser à l'aide d'un broyeur à palettes, par exemple, comme celui de la marque HOSOKAWA modèle Alpine 100 UPZ tournant à 18000 tours/minute et avec un débit d'introduction de la paille issue de l'étape (i) de 1 kg/h. Cette étape permet d'obtenir une poudre (B) dont le diamètre moyen et le diamètre médian (d5o) des particules sont inférieurs ou égaux à 150 μτα, de préférence inférieurs ou égaux à 135 μτη. A l'issue de l'étape (ii) et préalablement à l'étape (iii), les particules dont le diamètre moyen et le diamètre médian (d5o) sont inférieurs à 20 μπι peuvent éventuellement être éliminées de la poudre (B). L'élimination de ces particules peut être effectuée par tout moyen de séparation, par exemple, par tamisage et/ou par un procédé de tri comme décrit précédemment. La poudre (B) peut éventuellement être soumise à un tri dans le but d'obtenir une fraction plus ou moins riche en lignine et/ou en cellulose.
La poudre (B) issue de l'étape (ii), peut ensuite être séchée à une température comprise entre 30 et 120°C, de préférence entre 50 et 100°C. La durée de séchage peut être de 2 à 72 heures, de préférence de 4 à 48 heures. A l'issue de cette étape de séchage, la poudre (B) présente un taux d'humidité inférieur à 10% en masse, de préférence inférieur à 5% en masse, encore plus préférentiellement inférieur ou égal à 2% en masse d'eau, par rapport à la masse totale de la poudre.
La poudre (B) est ensuite soumise à une troisième étape de broyage (étape (iii)) pour obtenir une poudre (P) dont le diamètre moyen et le diamètre médian (d50) des particules sont inférieurs ou égaux à 35 μηι, de préférence compris entre 10 et 30 μιη, plus préférentiellement entre 10 et 20 μηι. Cette étape peut se réaliser par une technique de broyage lent, par exemple, au moyen d'un broyeur à boulets tel que représenté en Figure 1 , ou par une technique de broyage rapide, par exemple, au moyen d'un broyeur à jet d'air tel que représenté en Figure 2.
Comme représenté en Figure 1, le broyeur à boulets comprend une jarre 1 contenant des boulets en céramique 2 et le produit à broyer 3. La jarre 1 est mise en rotation dans le sens de la flèche. Les chocs occasionnés 7 par les boulets 2 provoquent la réduction granulométrique du produit 3. L'ajout de la ligne pointillée représente la trajectoire des boulets.
Le broyeur à jet d'air, comme représenté en Figure 2, projette à très haute vitesse et les unes contre les autres, les particules à broyer 3. Les collisions entre les particules sont représentées par la flèche 9. L'air comprimé est injecté dans la chambre de broyage 5 via les buses 6. Les particules à broyer 3 sont introduites au moyen du conduit d'alimentation 4. Dans la chambre de broyage 5, les particules 3 sont fluidisées. Ensuite les particules accélérées se mélangent au point de convergence où de nombreux jets d'air se mêlent également les uns aux autres. Les collisions inter- particulaires génèrent des particules ultra- fines.
Ces méthodes de broyage sont bien connues de l'homme du métier.
Dans le cas du broyeur à boulets, la durée de cette opération de broyage peut être adaptée à la granulométrie finale recherchée. La durée de l'étape de broyage (iii) peut être comprise entre 1 à 240 heures, de préférence entre 12 et 216 heures, et encore plus préférentiellement entre 48 et 216 heures.
La température de broyage à cette étape, est avantageusement inférieure ou égale à 25°C, de préférence entre -10 et 15°C. Ces gammes de températures favorisent le broyage de la poudre (B) car à ces températures, les fibres lignocellulosiques sont rigides et donc plus fragiles.
Le broyage de la poudre (B) peut encore être favorisé en effectuant le broyage en présence de composés qui fragilisent ladite poudre. Toujours dans le but de favoriser le broyage de la poudre (B), ladite poudre peut être soumise à un traitement acide ou basique préalablement au broyage ou durant le broyage.
Afin de limiter l'exposition de la poudre obtenue (poudre (P)) à l'humidité et/ou à l'air ambiant, la troisième étape de broyage (iii) peut être réalisée, de préférence, sous une atmosphère inerte, par exemple sous argon, azote et/ou C02.
Comme indiqué, une étape de séchage est mise en oeuvre avant l'étape (iii), après l'étape (iii), ou avant et après l'étape (iii).
Le séchage, qu'il intervienne avant et/ou après l'étape (iii), est réalisé à une température comprise entre 30 et 120°C, de préférence entre 50 et 100°C. Le séchage peut être réalisé pendant 2 à 72 heures, de préférence pendant 4 à 48 heures.
Avantageusement, selon cette variante, le procédé de l'invention, satisfait à au moins l'une des conditions suivantes :
le séchage avant et/ou après l'étape (iii), est réalisé à une température comprise entre 30 et 120°C, de préférence entre 50 et 100°C,
le séchage avant et/ou après l'étape (iii), est réalisé pendant de 2 à 72 heures, de préférence de 4 à 48 heures,
- à l'issue du séchage avant l'étape (iii), la poudre (B) présente un taux d'humidité inférieur à 10% en masse, de préférence inférieur à 5% en masse, plus préférentiellement inférieur à 2% en masse, par rapport à la masse totale de la poudre,
la durée de la troisième étape de broyage (iii) est comprise entre 1 à 240 heures, de préférence entre 12 et 216 heures, et plus préférentiellement entre 48 et 216 heures,
la troisième étape de broyage (iii) est réalisée à une température inférieure ou égale à 25°C, de préférence entre -10 et 15°C,
la troisième étape de broyage (iii) est réalisée sous une atmosphère inerte qui peut être constituée d'argon, d'azote et/ou de C02,
préalablement à l'étape (ii), les particules dont le diamètre moyen et le diamètre médian (dso) sont inférieurs à 200 μιη sont éliminées de la poudre (A) par tamisage et/ou par un procédé de tri tel que décrit précédemment, préalablement à l'étape (iii), les particules dont le diamètre moyen et le diamètre médian (dso) sont inférieurs à 20 μιη peuvent éventuellement être éliminées de la poudre (B) par tamisage et/ou par un procédé de tri tel que décrit précédemment.
Avantageusement, un triage sélectif des particules issues de l'étape (iii), peut être opéré, par un procédé de tri tel que décrit précédemment, afin d'obtenir différentes populations de poudres en vue d'améliorer leur qualités en tant que carburant moteur. Par exemple, une population de particules triées ayant une teneur en lignine supérieure et donc un pouvoir calorifique plus important pourra être sélectionnée.
Le procédé selon l'invention est simple et économique.
La poudre (P) obtenue selon le procédé de l'invention peut être utilisée directement, sans autre transformation ou traitement, en tant que carburant.
L'invention a encore pour objet l'utilisation d'un constituant lignocellulosique sous la forme d'une poudre (P) dont le diamètre moyen et le diamètre médian (d50) des particules sont inférieurs ou égaux à 35 μηι, de préférence compris entre 10 et 30 μτη, plus préférentiellement entre 10 et 20 μπι, obtenu selon le procédé de l'invention, pour la fabrication d'un carburant solide destiné à un moteur à combustion interne. Le carburant selon l'invention peut être utilisé seul ou en mélange avec d'autres carburants. Il peut être utilisé, par exemple, pour le fonctionnement des moteurs à combustion interne que ce soit à allumage commandé ou diesel, pour le fonctionnement de turbines, de chaudières, des fours industriels mettant en jeu des brûleurs.
Il est à noter qu'avec les carburants selon l'invention, il est possible de substituer de manière extrêmement simple (envoi de poudre de paille par l'admission) une partie du gazole alimenté à un moteur diesel. Ceci sans modifier le moteur. Les problèmes relatifs à l'injection de la poudre ou du mélange (slurry) sont ainsi écartés, et il est tout de même possible d'atteindre les performances maximales des moteurs (comme celles obtenues avec les carburants liquides pétroliers classiques), tout en limitant considérablement la consommation de gazole.
Le carburant de l'invention est à utiliser seul, éventuellement en suspension, par exemple dans de l'air pour produire un mélange combustible. Dans ce cas, la proportion du carburant de l'invention dans un litre d'air peut alors être, par exemple, de 200 mg de carburant dans un litre d'air. Cette valeur est la concentration minimale d'allumage, et peut varier selon la composition du carburant considéré. Elle correspond à la valeur stœchiométrique conduisant à une combustion complète.
Les rejets produits lors de la combustion du carburant selon l'invention ne contiennent pas de plomb.
Les quantités de souffre rejetées par la combustion d'une poudre lignocellulosique sont considérablement limitées par rapport à un combustible fossile. En moyenne, elles peuvent être inférieures d'un facteur 10.
Le carburant selon l'invention peut être utilisé sans modification majeure des moteurs à combustion interne actuels.
Le carburant de l'invention comporte encore de nombreux avantages. Il est économiquement plus avantageux que les produits pétroliers raffinés et les gaz liquéfiés, il est disponible en abondance, c'est une source d'énergie indéfiniment renouvelable. Il est biodégradable, neutre pour l'effet de serre et facilement stockable.
En effet, bien que la composition des rejets de combustion du carburant de l'invention inclue le C02 comme les hydrocarbures liquides, la combustion du carburant de l'invention ne fait que restituer le C02 absorbé lors de la pousse des céréales dont le constituant ligno cellulosique dudit carburant est issu, contrairement aux produits d'origine fossile qui déplacent massivement les réserves en carbone du sous-sol vers l'atmosphère.
S'agissant de pailles de céréales produisant des grains pour l'alimentation, la paille utilisée n'engendre pas de concurrence alimentaire en termes de disponibilité des terres.
De plus, la manipulation des carburants selon l'invention présente un danger minimal par rapport aux carburants standard pour l'être humain.
La présente invention concerne également un procédé de production d'énergie caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de :
a) introduire le carburant solide selon l'invention, sous forme d'une poudre, seul ou en mélange avec un gaz oxydant ou un combustible liquide pour former une suspension ;
b) faire passer ledit carburant ou ladite suspension suivant un flux contrôlé auprès d'une source de combustion, et
c) déclencher la combustion dudit carburant ou de ladite suspension et consumer le carburant solide, sous la forme d'une poudre, pour produire de l'énergie.
L'énergie produite par ce procédé est avantageusement de l'énergie thermique pouvant se prêter à tout mode de conversion.
Dans ce procédé, la proportion du carburant solide par rapport au gaz oxydant dans la suspension peut être, par exemple, 1 part de carburant solide pour 7 parts de gaz, en masse.
Dans ce procédé, par « flux contrôlé » on entend le débit du carburant solide sous forme de poudre. En modulant le débit du carburant solide, la production d'énergie peut être modulée.
D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention pourront encore apparaître à la lecture des exemples ci-dessous donnés à titre illustratif et les figures annexées.
- La Figure 1 représente un schéma de principe du broyeur à boulets. Ce type de broyage consiste à mettre en rotation une jarre 1 contenant des boulets en céramique 2 et le produit à broyer 3. Les chocs occasionnés par les boulets provoquent la réduction granulométrique du produit. - La Figure 2 représente un schéma de principe du broyeur à jet d'air. Ce type de broyage consiste à projeter à très haute vitesse et les unes contre les autres, les particules à broyer.
- La Figure 3 représente le déroulement des différentes étapes de la variante du procédé selon l'invention, telle que décrite dans l'Exemple 1.
- La Figure 4 représente les pressions comparées de la paille selon l'invention, du gazole et de celles obtenues en l'absence de carburant, mesurées dans le cylindre du moteur au cours du cycle de fonctionnement, à 790 tours/minute, 13Nm (en Joules/DV). La pression, exprimée en bar, est représentée en ordonnée et le déplacement du piston, exprimé en degrés vilebrequin (DV), est représenté en abscisse.
- La Figure 5 représente le taux de dégagement de chaleur (en ordonnée et exprimée en Joules/DV) calculé sur la base des cycles de pression obtenus en l'absence de carburant, avec injection de gazole et avec alimentation par l'admission de poudre de paille uniquement, le déplacement du piston, exprimé en degrés vilebrequin (DV), est représenté en abscisse.
- La Figure 6 représente les diagrammes de pression (en ordonnée et exprimée en bar) en fonction du volume (en abscisse et exprimé en m ) obtenus pour le gazole et la paille selon l'invention à 790 tours/minute, 13 Nm. EXEMPLES
EXEMPLE 1 : Procédé de préparation de poudres de paille selon l'invention
La paille de blé a été retenue comme une source de biomasse sèche intéressante en raison de sa grande disponibilité et de son caractère résiduel. La vitesse de combustion étant pilotée par la finesse du matériau, il s'est agi de broyer jusqu'à l'échelle du micron un lot de paille originaire de la région du Tarn (81430 Le Fraysse).
Les opérations de broyage de la paille de blé se sont déroulées en plusieurs étapes telles que représentées en Figure 3, à partir de la botte originelle. La paille a tout d'abord été broyée au broyeur à couteaux (RETSCH SM 100). Cette opération à permis de réduire la taille des particules et d'obtenir des particules dont le diamètre moyen et le diamètre médian (d50) sont supérieurs à 0 et vont jusqu'à 2000 microns. Le taux de cendre a été réduit par tamisage, en éliminant la fraction inférieure à 200 microns, qui correspond à la partie externe de la tige, plus facilement réduite car plus riche en minéraux.
Lors d'une seconde étape de broyage, la paille a été alimentée dans un broyeur à palette HOSOKAWA Alpine 100 UPZ à température ambiante (environ 20°C). Cette opération a permis de diminuer la taille des particules jusqu'à la centaine de microns (le diamètre moyen et le diamètre médian (d5o)).
Le produit obtenu, séché 48 h à 60°C, a ensuite servi de base aux opérations de broyage successives, il sera appelé « poudre B » par la suite. L'étape de séchage a été effectuée sous air, dans une étuve MEMMERT modèle 100-800.
Afin de pouvoir évaluer l'impact du type de broyage sur les qualités combustibles de la paille, deux technologies ont été confrontées : le broyage à boulets, lent mais relativement simple à mettre en oeuvre, et le broyage à jet d'air, plus rapide et plus complexe.
Dans les deux cas, des particules de diamètre moyen et de diamètre médian (dso) de 10 et 20 microns ont été obtenues.
Broyeur à boulets
Ce type de broyage, représenté schématiquement en Figure 1, consiste à mettre en rotation une jarre 1 contenant des boulets 2 en céramique et le produit à broyer 3. Les chocs occasionnés par les boulets 2 provoquent la réduction granulométrique du produit.
Le broyeur à boulets utilisé est le modèle Marne 0 n°55 distribué par la société FAURE.
Les opérations se sont déroulées en chambre froide, maintenue à 5°C. La jarre, contenant 1/3 de poudre B, 1/3 de boulets d'alumine et 1/3 d'air en volume a été soumise à une rotation de 1 tour/seconde par tranches de 24 h, à l'issue desquelles un échantillon a été prélevé. Afin de minimiser l'exposition du produit à l'humidité de l'air ambiant lors des prélèvements, l'air a été remplacé par de l'argon ; l'autre effet étant de contrôler l'oxydation du produit. L'opération de broyage se déroule comme suit : 1 kilogramme de poudre de paille (B) est inséré dans une jarre en céramique de 8 litres en présence de 4 kilogrammes de boulets en alumine de 17 mm de diamètre et de 4 kilogrammes de boulets de diamètre 25 mm. Au bout de 48 heures, on change les boulets pour 4 kilogrammes de billes de diamètre 9 mm et 4 kilogrammes de billes de diamètre 7 mm. Ceci a pour effet d'optimiser le broyage en réduisant l'espace entre les boulets et donc en augmentant les chocs occasionnant le broyage.
A partir d' 1 kilogramme de poudre B, une poudre dont les particules ont un diamètre moyen et un diamètre médian (d5o) de 20 microns, a été obtenue en 48 à 72 heures, et de 10 microns en 216 heures (soit 9 jours).
Broyeur à jet d'air
Ce type de broyage, représenté schématiquement en Figure 2, consiste à projeter à très haute vitesse et les unes contre les autres, les particules à broyer. Cette technologie offre l'avantage de ne pas influer sur les caractéristiques chimiques du matériau.
Le broyeur à jet d'air utilisé est le modèle 100 AFG de la société HOSO AWA Alpine.
Des particules ayant un diamètre moyen et un diamètre médian (d50) de 20 microns ont été obtenues avec une vitesse d'alimentation de 700 g/heure environ (soit 20 tours/minute pour la trémie) et une vitesse de rotation du sélecteur de 6000 tours/minute.
Des particules ayant un diamètre moyen et un diamètre médian (d50) de 10 microns ont été obtenues à 200 g/heure environ (soit 6 tours/minute pour la trémie) et le sélecteur réglé à 12000 tours/min. Caractérisation des poudres
Les poudres de paille obtenues à l'issue de la deuxième étape de broyage (broyeur à palettes) et à l'issue de la troisième étape de broyage avec un broyeur à boulets (paille boulets- 10 et paille boulets-20) et avec un broyeur à jet d'air (paille jet d'air- 10 et paille jet d'air-20) ont été caractérisées, comparées entre elles et comparées avec des poudres végétales commerciales suivantes : la cellulose microcristalline (Serva-Electrophoresis), parties cristallines de la part cellulosique des fibres végétales, diamètre médian 23 microns (d5o) et peu dispersée ;
alpha-cellulose (Sigma-Aldrich), partie amorphe de la part cellulosique des fibres végétales, reliant entre elles les zones cristallines, diamètre médian 65 microns (d5o) ;
la lignine (Sigma-Aldrich), obtenue par procédé kraft, avec une teneur importante en sodium et environ 3 % de soufre, diamètre médian 100 microns (d5o) ;
l'amidon de blé (Prolabo), grains quasi-sphériques, diamètre 23 microns (d50) et peu dispersée ;
l'amidon de maïs (Maïzena), grains sphériques, diamètre médian 20 microns (d50).
Une poudre non commerciale a aussi été utilisée :
• Ultracarbofluid (résidu sec de charbon végétal utilisé en slurry) ; distribution granulométrique bimodale (probable agglomération de particules de diamètre médian (d50) 18 microns en amas de 350 microns).
L'ensemble de ces poudres a fait l'objet des analyses suivantes :
• élémentaire (analyseur CHN -Thermo électron Flash EA 1 12)
• immédiate (normes biomasse humidité : AFNOR XP CEN/TS 14774- 3 ; volatiles : AFNOR XP CEN/TS 15148 ; cendres : AFNOR XP CEN/TS 14775)
• analyse chimique des polysaccharides et îignines (HPLC, GLC, Gravimétrie)
• analyse chimique des cendres (méthode Induction Coupled Plasma ou ICP - Varian détecteur CCD)
• granulométrique (Mastersizer 2000 - Malvern)
• thermogravimétrique (Sartorius modifiée)
• surface spécifique (méthode BET sur Tristar 3000 - Micromeritics) Les résultats de ces analyses sont reportés dans le tableau 1 suivant. Ces résultats montrent clairement que les poudres de paille de l'invention :
- présentent une distribution granulométrie réduite, favorable à une combustion rapide et homogène adaptée aux moteurs ;
- présentent un fort taux de volatiles par rapport aux charbons minéraux connus, favorisant ainsi une combustion rapide ;
- dont la teneur en cendres est réduite par rapport aux charbons minéraux connus, ce qui entraine un faible taux d'usure du système de combustion considéré. Conclusion
Les poudres carburant selon l'invention n'entrent pas en concurrence avec la filière alimentaire en termes d'utilisation des terres agricoles.
Les poudres carburant selon l'invention occasionnent une usure inférieure des systèmes utilisés pour leur conversion en énergie, au contraire des poudres de charbon, utilisées par le passé.
Contrairement aux poudres de charbon, les poudres carburant selon l'invention permettent un meilleur contrôle des risques liés à leur manipulation grâce à leurs propriétés rhéologiques particulières.
Les poudres carburant selon l'invention permettent un stockage optimisé grâce à leurs propriétés granulométriques (faible dispersion et taille micronique), permettant leur compaction.
Contrairement aux poudres de charbon qui nécessitent une agitation pour leur maintien en suspension, les poudres carburant selon l'invention ne nécessitent pas de conditions de stockage avancées.
La production des poudres carburant selon l'invention ne nécessite pas d'importants coûts de mise en œuvre en vue de leur conversion en énergie.
La production des poudres carburant selon l'invention ne nécessite pas l'utilisation de technologies complexes de broyage.
La production des poudres carburant selon l'invention est, par conséquent possible à moindre coût, et de façon simple, ce qui étend le champ de leur utilisation aux pays en voie de développement et aux zones isolées quelles qu'elles soient, au contraire des carburants fossiles quels qu'ils soient, y compris des poudres de charbon. La production par simple broyage en voie sèche des poudres carburant selon l'invention ne génère pas d'effluents liquides ou gazeux, impactant l'environnement.
La conversion en énergie des poudres carburant selon l'invention n'ajoute pas de C02 au bilan environnemental, au contraire des carburants fossiles quels qu'ils soient, y compris poudres de charbon.
La conversion en énergie des poudres carburant selon l'invention ne génère pas ou peu de composés soufrés, au contraire des carburants fossiles quels qu'ils soient, et en particulier des poudres de charbon.
La conversion en énergie des poudres carburant selon l'invention dans un moteur à combustion interne s'étend aux applications à haut régime et notamment les transports, au contraire des poudres de charbon.
La conversion en énergie des poudres carburant selon l'invention dans un moteur à combustion interne peut s'étendre aux applications de forte puissance, au contraire des poudres de charbon notamment en suspension.
EXEMPLE 2 : Banc moteur
Le moteur au banc d'essai est un modèle diesel 4 temps monocylindre Hatz
1D80 à injection directe, de cylindrée 667 cm et avec un taux de compression de 18. Ce moteur est équipé d'un frein électromagnétique à courant de Foucaud.
Il est équipé d'un capteur de pression cylindre (modèle Kistler 6125b) renvoyant un signal 0-10V sur une plage allant de 0 à 250 bars.
Un capteur de pression d'injection (Kistler 4067B2000) est monté sur la conduite d'alimentation de l'injecteur. Dans le cas présent, la pression d'injection ne constitue pas un paramètre prépondérant, elle est reportée dans le seul but d'indiquer la présence ou l'absence de gazole.
Un codeur angulaire (Kistler 2614A) est monté sur l'arbre du moteur. Il renvoie un top par tour, qui est positionné en correspondance du point mort haut (PMH) et un top par demi-degré vilebrequin, qui est utilisé pour cadencer l'acquisition.
Le logiciel LabView 2010 est utilisé pour l'acquisition des données. Les pressions et températures ainsi que le régime et le couple y sont enregistrées et affichées en fonction du point d'acquisition.
Les différents modes d'alimentation de la poudre au moteur ont été les suivants :
• en utilisant une trémie à dosage pondéral alimentant un débit fixe de poudre dans l'admission. Le modèle de trémie K-tron (KT20) a été utilisé lors des tests d'alimentation de poudre seule en continu.
• en mode dual fuel soit : poudre dans l'admission + injection gazole,
• par injection de mélange poudre lignocellulosique/gazole (suspension),
2.1. Alimentation en continu
Suite au montage de la trémie à dosage gravimétrique Modèle KTron KT20, nous avons pu alimenter le moteur par un débit continu de poudre selon l'invention à 4 kg/h environ, soit la quantité st chiométrique pour une rotation du moteur à 1000 tours par minute. Ces tests nous ont permis d'entraîner le moteur à la poudre seule, et ce, pendant plusieurs centaines de cycles consécutifs, ce qui correspond à plusieurs minutes.
Les essais ayant conduit aux résultats les plus significatifs sont reportés ci- après.
Les profils de pression mesurés dans le cylindre du moteur au cours du cycle de fonctionnement engendré par la paille seule selon l'invention et le gazole sont comparés en Figure 4, Bien que la pression maximale atteinte en fonctionnement au gazole soit nettement supérieure à celle de la paille, toutes deux présentent un profil très différent. Un double pic de pression lié à la combustion de la paille selon l'invention est à noter, ainsi qu'une « traîne » provoquée par la combustion du charbon résiduel.
La Figure 5 représente le dégagement de chaleur calculé sur la base des cycles de pression obtenus en l'absence de carburant, avec injection de gazole et avec alimentation par l'admission de poudre de paille uniquement. Le dégagement de chaleur reporte la quantité de chaleur émise par la combustion de la paille selon l'invention et du gazole, en joules/DV, et en fonction du temps. Afin de pouvoir situer les différentes phases de ce dégagement dans le cycle de rotation du moteur, ce temps est reporté en degré vilebrequin (DV). Ces données ont été obtenues au ralenti (790 tours/minute) et à faible charge (13 Nm) soit à une température moyenne de 150°C dans la chambre de combustion, avec du gazole en fonctionnement normal et de la poudre de paille selon l'invention (diamètre moyen et diamètre médian (d50) de 20 microns) obtenue au broyeur à jet d'air tel que décrit dans l'exemple 1.
Tout d'abord, il se produit un dégagement de chaleur conséquent avec la paille selon l'invention comme combustible et celui-ci se prolonge jusqu'à l'ouverture de la soupape d'échappement (environ 125 DV). Ce dégagement important rend possible la récupération de l'énergie de la paille sous forme mécanique. La quantité totale d'énergie libérée est comparable à celle issue du dégagement de chaleur obtenu avec du gazole. Le décalage dans le temps du dégagement de chaleur occasionné par la paille selon l'invention par rapport à celui du gazole peut s'expliquer comme suit: le temps nécessaire à la combustion d'une particule solide est plus long que celui d'une gouttelette de liquide, fut elle de même taille. En effet, en plus de la phase d'évaporation qui donne naissance aux composés volatils, initiateurs de la combustion, un solide nécessite un temps de séchage (à cette échelle, le temps de transfert de chaleur de la surface vers l'intérieur de la particule peut être négligé). L'étape de séchage est, en effet, un paramètre critique, qui ralentit considérablement initiation de la combustion.
De plus, le produit de la dévolatilisation de la particule de paille est du charbon, lequel brûle plus lentement (la diffusion de l'oxygène dans ses pores contrôle la combustion). Ceci explique le prolongement du dégagement de chaleur dans le temps.
Le calcul du travail indiqué pour chacun de ces cycles de pression corrobore cette observation. Ce travail est obtenu par l'étude du diagramme de pression cylindre en fonction du volume, comme représenté en Figure 6. Le calcul des aires de chacun des cycles prouve que le travail fourni par la poudre de paille selon l'invention est suffisant pour engendrer un entraînement du moteur. En effet, la combustion de la paille dégage 300 Joules contre 250 pour le gazole. Il est à noter que les Pouvoirs Calorifiques Inférieurs des mélanges stœchiométriques air/paille ou air/gazole sont très proches (respectivement 2.4 MJ/kg et 2.7 MJ/kg).
2.2. En mode dual fuel
Lors de ces essais, la paille de blé utilisée ^5ο=20μηι) est obtenue au broyeur à boulets tel que décrit dans l'Exemple 1.
Au cours des tests, l'injection de gazole a été maintenue à un point de fonctionnement connu : 1250 tours/minute et 10 % de la charge maximale admissible (couple de 3.6Nm sur les 36Nm maximum). Pour ce point de fonctionnement précis, la consommation en gazole est d'environ 250 g/h. La poudre a été alimentée grâce à la trémie (cf § 2.2.) par la conduite d'admission. De cette manière, les variations de régime ou de couple occasionnés n'étaient attribuables qu'à la poudre seule. 1- En régulation de couple, c'est-à-dire que le couple appliqué à l'arbre du moteur (par le système de freinage) est maintenu à 3,6 Nm. Toute forme d'énergie supplémentaire introduite dans le moteur entraîne une augmentation de régime.
Dès les premières secondes d'introduction de la poudre, le moteur accélère très rapidement pour atteindre 3000 puis 3200 tours/minute (2 essais). La vitesse maximale donnée par le constructeur pour le moteur utilisé étant dépassée, le test a été arrêté.
Conclusion : la vitesse de combustion de la poudre de paille ne limite pas le régime du moteur au moins jusqu'à 3200 tours/minute.
2- En régulation de vitesse, c'est-à-dire que la vitesse de rotation du moteur est limitée à la valeur de 1250 tours/minute. Toute forme d'énergie supplémentaire introduite dans le moteur oblige le système à freiner, en conséquence de quoi le couple augmente. Cette augmentation de charge peut être directement reliée au travail que peut fournir le moteur, et donc à l'effort qu'il peut soutenir.
Lors du test, le moteur monte à 34 Nm, soit plus de 90 % du couple maximum admis au gazole.
Conclusion : L'énergie dégagée par la combustion de la poudre de paille autorise un fonctionnement à des charges importantes. Ceci est primordial pour tout type d'application envisagée.
Il est à noter qu'avec les poudres selon l'invention, il est possible de substituer de manière extrêmement simple (envoi de poudre de paille par l'admission) une partie du gazole alimenté à un moteur diesel. Ceci sans modifier le moteur. Les problèmes relatifs à l'injection de poudre ou de mélange (suspension) sont écartés, et il est tout de même possible d'atteindre des performances tout à fait intéressantes, tout en limitant considérablement la consommation de gazole (qui reste à 250 g/h dans ce cas précis).
Exemple 3 : Test comparatif entre la poudre (P) et le chocolat en poudre Un test comparatif a été mené avec le moteur décrit dans l'exemple 2. De la paille de blé broyée à 20 microns (poudre (P) selon l'invention) a été comparée à du chocolat en poudre du commerce, dont la répartition granulométrique est similaire à celle utilisée dans la demande WO 01/98438 (cf. tableau 1).
Les conditions du test ont été les suivantes : le moteur est démarré au gazole, et stabilisé à 1000 tours/minute à charge nulle, la poudre est alimentée par la conduite d'admission à un débit de 4 kg/h, et l'alimentation en gazole est coupée.
Lors du test avec la poudre de chocolat, , le moteur s'est arrêté dès l'arrêt de l'injection de gazole. Le redémarrage a été difficile, alors même que quelques grammes au plus avaient été aspirés.
Immédiatement après redémarrage, et sans nettoyage du moteur, le test consécutif a été mené avec de la poudre de paille selon l'invention (poudre (P)), dans les mêmes conditions. Lors de ce test, le moteur a poursuivi son fonctionnement, alimenté uniquement en poudre de paille et ce sur plusieurs minutes.
Sur la base de ces résultats, il apparaît clairement qu'un carburant sous forme de poudre dont la répartition granulométrique est similaire à celle utilisée dans la demande WO 01/98438 ne fonctionne pas dans les conditions d' autoallumage, et par conséquent, ne peut constituer une solution adaptée à de nombreuses applications moteur.
Conclusion
Contrairement aux poudres dont la granulométrie et la composition sont similaires à celle utilisée dans la demande WO 01/98438, les poudres carburant selon l'invention n'entrent pas en concurrence avec la filière alimentaire.
Par ailleurs, les poudres carburant selon l'invention sont aptes à l'utilisation dans tout type de moteur à combustion interne pour leur conversion en énergie, au contraire des poudres de chocolat utilisées dans la demande WO 01/98438.

Claims

REVENDICATIONS
1. Carburant solide, sous la forme d'une poudre, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un constituant lignocellulosique sous forme d'une poudre (P) dont :
le diamètre moyen et le diamètre médian (dso) des particules sont compris entre 10 et 30 μτη, plus préférentiellement entre 10 et 20 μιη, bornes incluses, et
le taux d'humidité des particules est inférieur ou égal à 5% en masse, plus préférentiellement, inférieur ou égal à 2% en masse d'eau, par rapport à la masse totale de la poudre (P).
2. Carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que plus de 70% en masse, de préférence 80% en masse, plus préférentiellement 90% en masse de la poudre (P) est constitué de particules ayant un diamètre moyen et un diamètre médian compris entre 10 et 30 μιτι, plus préférentiellement entre 10 et 20 μτη, bornes incluses.
3. Carburant selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le constituant lignocellulosique sous forme d'une poudre (P) produit, après combustion, au plus 10 % en masse de cendres, de préférence entre 0 et 10% en masse de cendres, plus préférentiellement entre 0 et 5% en masse, encore plus préférentiellement entre 0 et 1 % en masse, bornes incluses, par rapport à la masse totale de la poudre (P).
4. Carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le constituant lignocellulosique sous forme de poudre (P) contient, après combustion, au plus 3% en masse d'alumine, plus préférentiellement entre 0 et 3% en masse, encore plus préférentiellement entre 0 et de 1% en masse, par rapport à la masse totale initiale de la poudre (P).
5. Carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le constituant lignocellulosique sous forme de poudre (P) contient, après combustion, au plus 3% en masse de silice, de préférence entre 0 et 3% en masse, plus préférentiellement entre 0 et 1% en masse, par rapport à la masse totale initiale de la poudre (P).
6. Carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le constituant lignocellulosique sous forme de poudre (P) émet, sous forme de volatiles, au moins 50 % en masse, de préférence entre 50 et 70 % en masse, plus préférentiellement entre 70 et 80 % en masse, encore plus préférentiellement entre 80 et 100 % en masse de volatiles, par rapport à la masse totale de la poudre (P).
7. Carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le constituant lignocellulosique provient des herbacés, des algues, des microalgues, des pailles de céréales, du bois, du bois issu de culture à des fins énergétiques, du bois issu de déchets, des autres déchets d'origine agricole, des déchets de papeterie, des déchets d'emballage bois et carton.
8. Carburant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le constituant lignocellulosique est issu de pailles de céréales, en particulier, de la paille de blé, de la paille d'orge, de la paille d'avoine, de la paille de seigle, de la paille de riz.
9. Procédé de préparation d'un constituant lignocellulosique sous forme d'une poudre (P) dont :
le diamètre moyen et le diamètre médian (d50) des particules sont compris entre 10 et 30 μηι, plus préférentiellement entre 10 et 20 μηι, bornes incluses, et - le taux d'humidité des particules est inférieur ou égal à 5% en masse, encore plus préférentiellement inférieur ou égal à 2% en masse d'eau, par rapport à la masse totale de la poudre (P),
caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
(i) une première étape de broyage de paille de céréales permettant d'obtenir une poudre (A) dont le diamètre moyen et le diamètre médian (d5o) des particules sont supérieurs à 0 et vont jusqu'à 3000 μηι , de préférence entre 200 et 3000 μπι , plus préférentiellement entre 200 et 2000 μηι (ii) une deuxième étape de broyage de la poudre (A), permettant d'obtenir une poudre (B) dont le diamètre moyen et le diamètre médian (d50) des particules sont inférieurs ou égaux à 150 μη , de préférence inférieurs ou égaux à 135 μηι ;
(iii) une troisième étape de broyage de la poudre (B) issue de l'étape (ii) permettant d'obtenir une poudre (P) dont le diamètre moyen et le diamètre médian (d50) des particules sont compris entre 10 et 30 μηι, plus préférentiel lement entre 10 et 20 μηι ;
une étape de séchage étant mise en œuvre avant l'étape (iii), après l'étape (iii), ou avant et après l'étape (iii).
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il satisfait à au moins l'une des conditions suivantes :
le séchage avant et/ou après l'étape (iii), est réalisé à une température comprise entre 30 et 120°C, de préférence entre 50 et 100°C,
le séchage avant et/ou après l'étape (iii), est réalisé pendant de 2 à 72 heures, de préférence de 4 à 48 heures,
à l'issue du séchage avant l'étape (iii), la poudre (B) présente un taux d'humidité inférieur à 5% en masse, plus préférentiellement inférieur à 2% en masse d'eau, par rapport à la masse totale de la poudre,
la durée de la troisième étape de broyage (iii) est comprise entre 1 à 240 heures, de préférence entre 12 et 216 heures, et plus préférentiellement entre 48 et 216 heures,
la troisième étape de broyage (iii) est réalisée à une température inférieure ou égale à 25°C, de préférence entre -10 et 15°C,
la troisième étape de broyage (iii) est réalisée sous argon, azote et/ou C02, préalablement à l'étape (ii), les particules dont le diamètre moyen et le diamètre médian (d50) sont inférieurs à 200 μηι sont éliminées de la poudre (A) par tamisage et/ou par un procédé de tri, préalablement à l'étape (iii), les particules dont le diamètre moyen et le diamètre médian (d5o) sont inférieurs à 20 μηι sont éventuellement éliminées de la poudre (B) par tamisage et/ou par un procédé de tri.
1 1. Utilisation d'un constituant lignocellulosique sous la forme d'une poudre (P) dont le diamètre moyen et le diamètre médian des particules sont compris entre 10 et 30 μπι, plus préférentiellement entre 10 et 20 μηι, bornes incluses, obtenu selon l'une des revendications 9 ou 10, pour la fabrication d'un carburant solide destiné à un moteur à combustion interne ou à un brûleur.
12. Procédé de production d'énergie caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de :
a) introduire le carburant solide, sous forme d'une poudre, selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, seul ou en mélange avec un gaz oxydant ou un combustible liquide pour former une suspension ;
b) faire passer ledit carburant ou ladite suspension suivant un flux contrôlé auprès d'une source de combustion, et
c) déclencher la combustion dudit carburant ou de ladite suspension et consumer le carburant solide, sous la forme d'une poudre, pour produire de l'énergie.
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