EP2809447B1 - Procede de broyage fin d'une charge de matiere carbonee avec ajouts d'additifs, installation de traitement en continu de biomasse et application a la gazeification associees - Google Patents

Procede de broyage fin d'une charge de matiere carbonee avec ajouts d'additifs, installation de traitement en continu de biomasse et application a la gazeification associees Download PDF

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EP2809447B1
EP2809447B1 EP13712911.0A EP13712911A EP2809447B1 EP 2809447 B1 EP2809447 B1 EP 2809447B1 EP 13712911 A EP13712911 A EP 13712911A EP 2809447 B1 EP2809447 B1 EP 2809447B1
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EP
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biomass
additives
chamber
particles
vibrating
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Thierry Chataing
Clément BAUW
Thierry MELKIOR
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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    • B02C19/16—Mills provided with vibrators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
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    • B02C23/00—Auxiliary methods or auxiliary devices or accessories specially adapted for crushing or disintegrating not provided for in preceding groups or not specially adapted to apparatus covered by a single preceding group
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    • B02C23/16—Separating or sorting of material, associated with crushing or disintegrating with separator defining termination of crushing or disintegrating zone, e.g. screen denying egress of oversize material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • C10L5/02—Solid fuels such as briquettes consisting mainly of carbonaceous materials of mineral or non-mineral origin
    • C10L5/34—Other details of the shaped fuels, e.g. briquettes
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    • C10L5/366—Powders
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • 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
    • C10L5/447—Carbonized vegetable substances, e.g. charcoal, or produced by hydrothermal carbonization of biomass

Definitions

  • the present invention relates to the mechanical treatment of a charge of carbonaceous material and more particularly to a process of fine grinding of such a charge, in particular of biomass.
  • fine grinding is meant grinding of the particles of the charge of carbonaceous material until micron or millimeter dimensions are obtained, that is to say up to hundreds of microns or even up to dimensions less than 5 millimeters.
  • the particles of ground carbonaceous material charge are of smaller dimensions than the particles of carbonaceous material charge of millimeter or micron dimensions which supply the inlet of the first chamber of the vibrating mill in accordance with the invention.
  • a first mechanical processing step is conventionally carried out and consists of coarse grinding (shredding for forest chips).
  • a second mechanical treatment step consecutive to the first is necessary and consists of fine grinding to give specific properties to the biomass powder.
  • it may be wood flour for the production of biofuels in the form of pellets.
  • the invention therefore more particularly relates to this second step of mechanical treatment of biomass, with a view to its injection in pulverized form in a downstream conversion reactor (gasification) or in a combustion or so-called co-combustion reactor (biomass and coal) in a coal-fired power plant or for its granulation to produce biofuels.
  • the invention advantageously applies to the gasification of biomass for the production of biofuels from synthesis gas widely known under the name Syngaz.
  • the process of fine grinding of biomass according to the invention is preferably carried out upstream of a powder conditioning / storage unit itself upstream of a gasification reactor for subsequently producing biofuels.
  • the mechanical treatment of biomass conventionally comprises a first stage of coarse grinding, generally at the place of harvest, which in particular makes it possible to facilitate transport and reduce its cost.
  • This first grinding step is carried out using a shredder (English shredder ) and leads to particles of centimeter or millimeter dimensions, typically forest chips in the wood industry. It is carried out using mills with proven technology (hammer, knife or scissor mill).
  • the coarsely ground particles thus constitute what are called the inputs in the gasification or biomass combustion pathways (cogeneration of heat and electricity, heat production, production of biofuels).
  • the size required for the biomass particles is of the order of a few hundred microns.
  • the powder obtained with a hammer mill has a more spread particle size distribution (publication [5]), which is a major drawback for flowability, that is to say the ability to flow, the powder as underlined in publications [6], [7].
  • Crushing by hammer mills occurs mainly by impact and attrition, which induces an elongated and deformed particle geometry, making appear hook-like projections along the fiber, called fibrils, which promote the interlacing effect. between particles, of cohesion between the grains and thereby the accentuation of the effect known under the name of vault effect in storage containers (silos): see publication [8]. It should also be noted that a longer mechanical treatment induces a high energy cost without fundamentally modifying the shape of the particles, since they are always crushed by hammers.
  • ball mills conventionally used for grinding coal operate by attrition and produce on fibrous materials elongated particles and a lot of fines.
  • biomass powders obtained that is to say finely ground prove to be difficult to transport, handle, inject into a downstream conversion reactor, because they tend to form agglomerates which generates vault effects , poor flowability ...
  • the first route consists of a mixed solution of thermal pre-treatment known as roasting combined with mechanical grinding by the grinder technologies already proven and mentioned above: hammer mills for fibrous materials ball mills for coal.
  • Roasting is a gentle heat treatment of biomass at the interface between drying and pyrolysis, generally carried out at temperatures between 200 and 350 ° C and which aims to remove water and modify part of the organic matter biomass to break its fibers.
  • this gentle heat treatment alters the fibrous structure of the biomass, thus facilitating its grinding. This makes it possible to reduce the energy cost of grinding and to obtain particles which are less fibrous, and therefore easier to transport, store and inject into a downstream reactor: see publication [11].
  • the powder obtained for advanced roasting of the biomass that is to say leading to a loss of mass greater than 30% by the operation, has characteristics close to those obtained with coal.
  • This allows to use the solution conventionally adopted for grinding and for powder injection which is pneumatic conveying (dense phase).
  • the intrinsic characteristics of biomass are the source of storage, transport and injection difficulties in thermochemical conversion reactors.
  • the thermal roasting pre-treatment makes it possible to solve the problem, but at an energy cost which could prove prohibitive. Assessments are currently underway.
  • the second way consists in the optimization either of crushers given according to the type of biomass or of complete chains of mechanical crushing.
  • the Esteban team explicitly proposes placing two grinders in series in order to optimize the energy cost of grinding: see publication [12].
  • the authors then worked on the integration of the assembly to optimize the energy cost of the chain and the particle size of the final product. They thus determined the particle size threshold at the outlet of the first mill, optimized the types of product recirculation.
  • the authors estimate that the cost of grinding on an industrial scale, that is to say for a flow rate of the order of 10 t / h, amounts to 120 to 150 kWh / t for forest chips (poplar or pine respectively).
  • the team of Siyi Luo et al. proposes a grinding chain capable of mechanically treating both wood (pine) and softer biomass (straw, stems, etc.): see publication [13].
  • the proposed chain makes it possible to reduce the dimensions of the particles up to values of 250 ⁇ m fixed by a cyclone downstream so that they can be used in a burner.
  • the proposed chain includes two grinders in series, with identical technology known as blades (in English "crushers").
  • the first crusher that is to say the one most upstream, has its axis which extends horizontally while the axis of the second crusher extends vertically.
  • the energy cost is evaluated at a value of 87 kWh / t for pine chips.
  • the general aim of the invention is to alleviate at least part of the drawbacks of the state of the art in the treatment of biomass and more generally of charge of carbonaceous material with a view to its injection in pulverized form in a reactor for conversion into downstream (gasification) or in a combustion or so-called co-combustion reactor (biomass and coal) in a coal-fired thermal power plant or with a view to its granulation to produce biofuels.
  • a particular aim is to propose a process for fine grinding of biomass, and more generally of charge of carbonaceous material, which improves the properties (flowability, aptitude for fluidization) of the powder obtained and this, at a lower energy cost.
  • it is sought according to the particular aim to avoid agglomerates of finely ground biomass powder in order to improve their capacities to be transported, handled, and injected into a conversion reactor downstream.
  • the invention relates to a process of fine grinding of a charge of carbonaceous material according to which the charge of carbonaceous material is introduced, in the form of particles of millimeter or micron size, at the input of a first vibrating type grinder chamber, the outlet of which is connected to the input of a second vibrating type crusher chamber, the first and second vibrating crusher chambers each comprising grinding bodies freely housed therein and suitable for grinding particles, a method according to which the first and second chambers are vibrated so as to crush the particles introduced on the one hand between the grinding body and on the other hand between these and the inner peripheral wall of each chamber.
  • additives of mineral matter and / or additives of plant material and / or additives of material of plant origin are added at the inlet of the second chamber of the second vibrating mill, the additives being in the form a micron-sized powder.
  • micron size powder is meant a powder whose particles have unit dimensions of less than 1 mm with, where appropriate, elementary particles of nanometric size, typically of the order of 100 nm.
  • the charge of carbonaceous material is biomass.
  • the inventors have thought of putting in series two chambers or stages of vibrating mills, which is advantageous from an energy cost point of view, and of introducing into the most downstream, that is to say one in which the biomass particles are already finely ground on a submillimetric scale, additives of mineral matter and / or vegetable matter and / or matter of vegetable origin, in the form a powder of micron size, preferably of size less than 5 ⁇ m.
  • an at least partial dry coating of the biomass particles is carried out, which makes it possible to improve the flowability properties and the fluidization ability of the powder finally obtained.
  • the very fine particles of additives of mineral matter and / or vegetable matter and / or matter of vegetable origin are brought into direct and close contact with the relatively larger particles of biomass, by application of mechanical forces. shear and impact for example.
  • the additives can be chosen from magnesium stearate (C36H70MgO4), silica in the form of microbeads, such as that sold under the trade name New reach SilicaFume NR950 and which contains 95% of SiO2 or even that marketed by the RHODIA company under the trade name Tixosil®68 and which contains 90% of amorphous silica or also under the name Tixosil®331.
  • the additives can also be based on particles of silicon oxides SiO 2 or containing CaCO3. In other words, according to the invention, additives are incorporated which allow proper operation of a downstream gasification reactor.
  • thermo-chemical conversion reactors Thanks to the process of fine grinding of biomass according to the invention, it is now possible to envisage carrying out on an industrial scale and continuously a gravity injection directly in thermo-chemical conversion reactors, which was not envisaged. to date due to the very poor flowability and / or fluidization ability of known biomass powders, with the undesirable arching effect which could occur.
  • flowability of the powder is meant the definition given in the publication [14], namely the ability to flow freely in a regular and constant manner in the form of individual particles.
  • the mineral composition of the additives is advantageously chosen so that they constitute a chemical mineral supplement required for the management of the ashes in a downstream gasification reactor.
  • the ash content of the biomass is very variable and very different in composition.
  • the publication [15] indicates that the wood typically contains 0.5-1% of ash with mostly calcium and potassium, while wheat straw contains 8% of ash with mostly potassium and silica.
  • two types of biomass there are significant differences in ash content and very different compositions. These differences directly impact the operation of a gasification reactor: operation with wood generates a very high required temperature for melting the ash, which requires the addition of additives (silica in this case) to adjust this temperature during operation. of the reactor, typically around 1300-1400 ° C.
  • the micron powder of mineral additives is rich in silicon or calcium (greater than 10% by mass).
  • the additive is for example based on particles of silicon oxides SiO 2 or based on microbead silica. If the treated biomass comes from agricultural residues with a low calcium content, the additives allowing the control of the gasification operation are preferably obtained from lime, that is to say a mixture of carbonate oxide of calcium CaCO 3 and magnesium oxide.
  • a pre-grinding step is advantageously carried out using a knife mill which produces a powder with particles. shorter (reduced length / diameter ratio) and a reduced level of fine particles ( ⁇ 30 ⁇ m).
  • a calibration of the particles by sieving also significantly improves the efficiency of fine grinding and shaping of the particles.
  • the sieving operation can be carried out so as to have particles of dimensions less than 500 ⁇ m.
  • a pre-grinding of the particles with unit dimensions of the order of a millimeter is carried out and the vibrating mill is used to adjust the shaping of the particles (remove the fibrils, round the angles and shorten their length).
  • the plant material additives are advantageously based on charcoal, such as charcoal and / or cereal straw charcoal.
  • the additives of plant material can also advantageously be based on roasted biomass, such as roasted wood, or roasted agricultural products, that is to say having previously undergone such as cereal straw, bark, shells (cherry stones, nut shells ).
  • the amount of additives of plant material added is between 0.5 and 20% by mass of the charge of carbonaceous material, more preferably between 5 and 10%. It has been found that the greater the quantity of additives added, the better the flowability obtained at the outlet of the vibrating mill. Thus, the preferred range is advantageous because it is a good compromise between on the one hand the improvement in flowability according to the invention and the cost of carrying out the process.
  • the additives of material of plant origin can advantageously be based on fossil coal. It is specified here that fossil coal (earth charcoal) comes from the degradation of vegetable organic matter and that it contains minerals the content of which can vary depending on the geographic area of coal extraction.
  • the dimensions of the particles of the charge of carbonaceous material introduced into the first vibrating mill chamber are substantially between 1 and 2 mm.
  • the dimensions of the micron powder of additives introduced into the second chamber of the vibrating mill are substantially less than 5 ⁇ m.
  • the dimensions of the particles of the charge of carbonaceous material obtained at the outlet of the second vibrating mill chamber are less than 800 ⁇ m, preferably less than 200 ⁇ m.
  • the grinding bodies of the vibrating mill freely housed inside the chamber consist of several sets of cylindrical bars of unitary diameter different from each other.
  • the invention also relates to a biomass treatment method according to which biomass is dried in the raw state, then the fine grinding process as described above is carried out by introducing at least the biomass into the vibrating mill chamber. dried.
  • the supply of dried biomass is made with a water content thereof in a range of 10 to 15%.
  • a pre-grinding of the dried biomass is carried out by introducing it into a chamber of a grinder of the knife or scissor type.
  • a knife or scissor mill includes, for example, notches made on a central shaft rotatably mounted in the chamber, the notches being adapted to tear off the particles of dried biomass against the internal peripheral wall of the chamber.
  • the dimensions of the particles of the pre-ground biomass are substantially greater than 1 mm.
  • a screening of the pre-crushed biomass is carried out upstream of the fine grinding process, and downstream of the pre-grinding of the dried biomass.
  • the sieving of the pre-ground biomass is carried out so as to carry out the process of fine grinding from particles with millimeter dimensions less than 2 mm or with micron dimensions less than 500 ⁇ m.
  • particles with millimeter dimensions greater than 2 mm are reintroduced into the knife mill.
  • the particles obtained are selected as a function of their dimensions so that they are less than 800 ⁇ m, preferably less than 200 ⁇ m.
  • a heat treatment of roasting with biomass is carried out, then the fine grinding process as described above is carried out by introducing the roasted biomass into the first chamber of the vibrating crusher.
  • the installation may further include a drying device upstream of the first vibrating mill chamber. It can also further comprise immediately downstream of the drying apparatus and upstream of the second vibrating mill chamber, a knife mill. It can also further comprise immediately downstream of the knife mill and immediately upstream of the first vibrating mill chamber, a sieving apparatus. Finally, it can further comprise a dynamic selector with variable speed immediately downstream of the second vibrating mill chamber, said dynamic selector being adapted to extract particles smaller than a desired diameter at the outlet of the second vibrating mill chamber.
  • the grinding bodies of the vibrating mill freely housed inside the chamber advantageously consist of several sets of cylindrical bars of different unit diameter between them.
  • the installation firstly comprises upstream a dryer 1 supplied with raw biomass treated to carry out its drying.
  • the raw biomass treated consists of forest chips, typically a few mm thick and a few cm long.
  • the flow rate of raw biomass treated is of the order of 1 t / h and the dryer 1 used is a rotary oven dryer, sold by the company MAGUIN.
  • This drying step makes it possible to have a reduced energy consumption of the pre-grinding operation immediately downstream on the one hand and allows the optimal operation of the grinding operation according to the invention on the other hand.
  • the knife mill 2 can be of the single-rotor type (FL / FNG / FNV) also operating at a flow rate of 1 t / h and marketed under the trade name Poittemill Forplex. To reduce the energy cost of this pre-grinding operation, care is taken to advantageously obtain at the outlet of the knife mill particles of dimensions at least equal to a millimeter.
  • a sieving operation is carried out continuously using a sieving device 3.
  • a sieving device 3 For example, it may be a vibrating sieve sold by the company RITEC, under the name of type MC.
  • particles larger than 2 mm are preferably reinjected into the knife mill 2.
  • the fraction thus withdrawn can be used as fuel to provide energy to the dryer 1.
  • particles of dimensions are obtained included approximately between 1 and 2 mm.
  • This sieving operation can also be carried out with a device for screening mesh openings of micrometric (micron) dimensions so as to obtain, at the output of the device, particles of dried biomass of micron dimensions, typically between 0 and 500 ⁇ m or between 0 and 200 ⁇ m.
  • a micron powder of additives 4 (CaCO 3 + SiO2 or silica) is introduced at the inlet of the second chamber 7 of the vibrating mill, concomitantly with the passage of the biomass particles already finely ground in the first chamber 5 of the vibrating mill. microbead ).
  • the additives 4 can be continuously micronized to a diameter of less than 20 ⁇ m, preferably less than 5 ⁇ m by means of a micronization mill 6.
  • the first and second chambers, respectively 5 and 7, of vibrating mill can be made in the same device.
  • it may be that marketed by the company RITEC under the name Palla 50U (90 kW) which incorporates two grinding stages or in other words two chambers in the same device.
  • Palla 50U 90 kW
  • steel bodies can preferably be used in the form of solid cylindrical bars. More preferably, the cylindrical bars used can have a diameter between 10 and 60 mm, preferably between 20 and 50 mm.
  • the grinding bodies can also be either in the form of balls or in the form of cylpebs.
  • the grinding bodies have different unit dimensions from one another.
  • the micronization mill 6 of the additives 4 can also be a vibrating type mill, marketed by the company RITEC, under the name laboratory / pilot (2.2 kW), and its operating rate can be equal at 10 kg / h.
  • the fine grinding according to the invention then advantageously combines the effect of the second chamber 7 of the vibrating mill and the finely ground additives 4 (micron powder). In this way, at least a partial coating of the biomass particles already crushed in the first chamber 5 of the vibrating mill is carried out in a dry process. This improves the flowability and fluidization properties of the powder. This avoids, at the very least, considerably reduces the vaulting effect of such a powder conventionally observed in storage silos.
  • the additives 4 have a mineral composition which is best chosen to control the melting temperature of the ashes in a downstream gasification reactor.
  • the particles with unit dimensions less than 30 ⁇ m are extracted using a dynamic selector 6.
  • the dynamic selector 6 may be that marketed by the company RHEWUM under the name of type AQ. This extraction is advantageous because the very fine particles reduce the flow property of the powder.
  • This extracted fraction can be used as a combustion product directly in a reactor conversion downstream and / or as a combustion product directly in the dryer 1 upstream, which further reduces the energy cost.
  • the dried, pre-crushed and sieved biomass particles are introduced concomitantly with particles of abrasive mineral material 4 'at the inlet of the chamber of a vibrating mill 5.
  • the fine grinding according to the invention by coating the biomass particles with the additives is thus advantageously supplemented by the effect of the first chamber 5 of the vibrating mill and of the abrasive mineral particles 4 'injected.
  • the first vibrating mill chamber 5 operates in semi-autogenic operation with the grinding powder 4 'mineral abrasive with particle sizes equal to 3 mm.
  • the injected mineral abrasive particles 4 ′ are based on particles of silicon oxides SiO 2 .
  • they have a chemical composition with an SiO2 content greater than 80%.
  • it can be silica (sand) or quartz for example.
  • the quantity of abrasive powder 4 ′ can advantageously be adjusted with the micron powder of additives 4 injected so as to have an ash melting temperature adjusted to the operating temperature of the downstream gasification reactor.
  • relative proportions are chosen between additives 4 containing CaO and the abrasive powder 4 ′ containing at least 80% of SiO2 in a range which can vary between 35% and 65% of each of these two constituents, namely CaO and SiO 2 , in order to have an operating temperature of a downstream gasification reactor of between 1436 and 1460 ° C.
  • the biomass having previously undergone a heat roasting treatment step is introduced directly at the input of the first chamber 5 of the vibrating mill.
  • They may be forest chips that have been shredded beforehand to unit dimensions of 50 mm and roasted.
  • the avalanche angle which is a characteristic of a powder flow: the lower the angle, the better the powder flows.
  • the avalanche angle of each sample was measured using a device sold under the name REVOLUTION by the company MERCURY SCIENTIFIC. This device comprises a drum rotating on itself and inside which is placed the powder which one seeks to measure the avalanche angle.
  • silica additives in the form of microbeads, which are those sold by the company RHODIA under the trade name Tixosil®331.
  • the figure 3 illustrates the number of occurrences (measurements) for an avalanche angle given for natural beech wood powder respectively without additive, with 1% by added mass of Tixosil®331 and with 2% by added mass of Tixosil®331. It is clear that the average avalanche angle measured is lower for a larger amount of Tixosil®331 added. In other words, the flowability of natural beech powder under free flow conditions is improved by the addition of Tixosil®331 mineral additives. This improvement is all the greater the greater the quantity of additive.
  • a third series of tests was also carried out with the same Tixosil®331 mineral additives, but with a powder of spruce wood with particle sizes between 0 and 200 ⁇ m and for a single batch.
  • the graph of the figure 4 illustrates the results obtained for these second and third series of tests: it appears that the measured avalanche angle is smaller for a larger quantity of Tixosil®331 added for each batch and regardless of the nature of the wood (beech natural or spruce).
  • the flowability of the wood powder under free flow conditions is improved by the addition of Tixosil®331 mineral additives whatever the nature (natural beech or spruce) of the wood.
  • the improvement in flowability is greater the greater the quantity of Tixosil®331 mineral additive.
  • an added amount of Tixosil®331 mineral matter additives by 2% by mass decreases the value of the avalanche angle by 58 ° (without additive ) at 50 °.
  • the figure 5 illustrates the number of occurrences (measurements) for an avalanche angle given for wood flour (sawdust) with particle sizes between 0 and 200 ⁇ m, respectively without additive and with ten% by mass ( ⁇ 50% ) added fossil coal. It is clear that the average avalanche angle measured is smaller when adding fossil coal. In other words, the flowability of the wood flour powder under free flow conditions is improved by the addition of additives of fossil coal.
  • the figure 6 illustrates the number of occurrences (measurements) for an avalanche angle given for natural beech powder with particle sizes between 0 and 200 ⁇ m, respectively without additive and with 10% added mass of charcoal. It is clear that the average avalanche angle measured is lower when adding charcoal. In other words, the flowability of natural beech powder under free flow conditions is improved by the addition of charcoal additives.
  • the installation can be used for the fine grinding of other charges of carbonaceous material (coal, petcoke ).

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Description

    Domaine technique
  • La présente invention concerne le traitement mécanique de charge de matière carbonée et plus particulièrement un procédé de broyage fin d'une telle charge, notamment de biomasse.
  • On précise ici qu'on entend par broyage fin, un broyage des particules de la charge de matière carbonée jusqu'à obtenir des dimensions microniques ou millimétriques, c'est-à-dire jusqu'à des centaines de microns voire jusqu'à des dimensions inférieures à 5 millimètres. Bien entendu, les particules de charge de matière carbonée broyées sont de dimensions inférieures aux particules de charge de matière carbonée de dimensions millimétriques ou microniques qui alimentent l'entrée de la première chambre du broyeur vibrant conformément à l'invention.
  • Dans le cas de la biomasse ligno-cellulosique, une première étape de traitement mécanique est classiquement réalisée et consiste en un broyage grossier (déchiquetage pour les plaquettes forestières). Selon l'application souhaitée, une deuxième étape de traitement mécanique consécutif au premier, est nécessaire et consiste en un broyage fin pour conférer des propriétés spécifiques à la poudre de biomasse. Par exemple, il peut s'agir de farine de bois pour la fabrication de biocombustibles sous forme de granulés.
  • L'invention a donc plus particulièrement trait à cette deuxième étape de traitement mécanique de biomasse, en vue de son injection sous forme pulvérisée dans un réacteur de conversion en aval (gazéification) ou dans un réacteur de combustion ou dit de co-combustion (biomasse et charbon) dans une centrale thermique à charbon ou en vue de sa granulation pour réaliser des biocombustibles.
  • L'invention s'applique avantageusement à la gazéification de biomasse en vue de la réalisation de biocarburants à partir du gaz de synthèse largement connu sous l'appellation Syngaz. Dans cette application, le procédé de broyage fin de biomasse selon l'invention est de préférence réalisé en amont d'une unité de conditionnement/stockage de poudre elle-même en amont d'un réacteur de gazéification pour produire ultérieurement des biocarburants.
    • Etat de la technique
  • Le traitement mécanique de la biomasse (tronc d'arbre, balles de paille) comprend classiquement une première étape de broyage grossier, en général sur le lieu même de la récolte, qui permet notamment de faciliter le transport et d'en réduire son coût. Cette première étape de broyage est réalisée au moyen de déchiqueteuse (en anglais «shredder») et conduit à des particules de dimensions centimétriques ou millimétriques, typiquement des plaquettes forestières dans les filières bois. Elle est réalisée au moyen de broyeurs à la technologie éprouvée (broyeur à marteaux, à couteaux ou à ciseaux). Les particules ainsi broyées grossièrement constituent ainsi ce que l'on appelle les intrants dans les voies de gazéification ou de combustion de biomasse (cogénération de chaleur et d'électricité, production de chaleur, production de biocarburants).
  • Pour une application de conversion thermochimique de la biomasse par gazéification, dans un réacteur de type réacteur à flux entrainé, la taille requise pour les particules de biomasse est de l'ordre de quelques centaines de microns.
  • Pour les applications de combustion de biomasse, de nombreuses études montrent que la taille des particules joue en effet un rôle clef: comme l'indique la publication [1], la micronisation de la poudre favorise la combustion et réduit les émissions de particules.
  • Un certain nombre d'études est consacré au broyage fin de particules de biomasse, notamment de plaquettes forestières, pour atteindre des granulométries du millimètre au micron selon les cas. Dans ces études, les effets de la nature de la biomasse, du type de broyeur(s) utilisé(s), de la granulométrie désirée ont été caractérisés sur le coût énergétique de l'opération proprement dite de broyage fin, et/ou les propriétés de la poudre obtenue (distribution granulométrique, forme des particules).
  • De ces études, il a pu se dégager un certain nombre de tendances que l'on peut résumer comme suit.
  • Pour le broyage de biomasse ligno-cellulosique, les broyeurs à couteaux et les broyeurs à marteaux sont bien adaptés : on peut citer ici les publications [1], [2] qui mettent cela en évidence. Cette opération est d'un coût énergétique peu élevé si la taille des particules visées ne descend pas en dessous du millimètre. Chacune de ces technologies présente des avantages et des inconvénients, comme souligné dans la publication [3]. Ainsi, l'avantage majeur de la technologie dite de broyeurs à marteaux est sa robustesse et un coût d'entretien moindre. En revanche, la consommation énergétique est plus importante pour un broyeur à marteaux, typiquement de l'ordre de 130 kWh/tonne (kWh/t), que pour un broyeur à couteaux, typiquement de l'ordre de 60 kWh/t : voir publication [4]. De plus, la poudre obtenue avec un broyeur à marteaux a une distribution granulométrique plus étalée (publication [5]), ce qui est un inconvénient majeur pour la coulabilité, c'est-à-dire la capacité à s'écouler, de la poudre comme souligné dans les publications [6], [7]. Le broyage par broyeurs à marteaux se produit essentiellement par impact et attrition, ce qui induit une géométrie de particule allongée et déformée, faisant apparaitre des saillies en forme de crochets le long de la fibre, appelés fibrilles, qui favorisent l'effet d'entrelacement entre particules, de cohésion entre les grains et par ce biais l'accentuation de l'effet connu sous l'appellation d'effet de voute dans les récipients (silos) de stockage: voir publication [8]. Il est d'ailleurs à noter qu'un traitement mécanique plus long induit un coût énergétique élevé sans pour autant modifier fondamentalement la forme des particules, car celles-ci subissent toujours un écrasement par les marteaux.
  • De même, les broyeurs à boulets utilisés classiquement pour le broyage du charbon fonctionnent par attrition et produisent sur les matériaux fibreux des particules allongées et beaucoup de fines.
  • A côté de ces technologies de broyage éprouvées pour le broyage de charge de matière carbonée, il est connu d'utiliser un broyeur de type vibrant pour réaliser le broyage de matériaux durs et friables, tels que ceux de roche calcaire, des oxydes métalliques... On peut se reporter aux publications [9] et [10] qui décrivent respectivement l'aspect théorique de la fragmentation de ces matériaux et les différentes technologies de broyeur utilisées. Ainsi, dans un broyeur vibrant la fragmentation s'opère par impact et attrition à fréquence variable. L'équipe de Kobayashi et al a pensé à utiliser une technologie de broyeur vibrant afin de réaliser un broyage fin (micronisation de la biomasse) pour une application de combustion : voir publication [6]. Il s'est avéré que la fragmentation par impact permet d'une part de résoudre le problème de la présence de fibrilles sur les particules de biomasse obtenues et d'autre part de raccourcir la longueur des particules en favorisant la propagation des fissures présentes dans les fibres de biomasse. Les essais réalisés par Kobayashi et al ont été effectués directement à partir de plaquettes forestières de dimensions millimétriques (22mm) introduites en entrée de chambre du broyeur vibrant et ont nécessité un temps de traitement de la poudre relativement long pour obtenir les caractéristiques visées (d<30 µm), ce qui s'est traduit par un coût énergétique élevé (800kwh/t).
  • Il ressort de ces études que le problème majeur du broyage fin de biomasse réside dans le coût énergétique de l'opération proprement dite, du fait du caractère fibreux des particules de biomasse.
  • En outre, les poudres de biomasse obtenues, c'est-à-dire finement broyées s'avèrent difficiles à transporter, manipuler, injecter dans un réacteur de conversion en aval, car elles ont tendances à former des agglomérats ce qui génère des_effets de voute, une mauvaise coulabilité...
  • Il est connu du brevet US 6,833,185 et de la demande de brevet US 2008/0116118 qu'il est possible d'améliorer les propriétés de coulabilité d'une poudre fine, en la mélangeant à une poudre d'additifs de dimension nanométrique ou submicronique dont la densité de particules apparente moyenne est inférieure à celle de la poudre fine.
  • Au-delà de l'opération de broyage fin proprement dite, deux voies sont actuellement envisagées pour le traitement global permettant réduire les dimensions de particules de biomasse dans des applications énergétiques (cogénération, production de chaleur, production de produits de combustion, production de biocarburants).
  • La première voie consiste en une solution mixte de pré-traitement thermique dit de torréfaction combinée à un broyage mécanique par les technologies de broyeurs déjà éprouvées et mentionnées ci-dessus: broyeurs à marteaux pour des matériaux fibreux broyeurs à boulets pour le charbon. La torréfaction est un traitement thermique doux de la biomasse à l'interface entre le séchage et la pyrolyse, généralement réalisé à des températures comprises entre 200 et 350°C et qui vise à éliminer l'eau et à modifier une partie de la matière organique de la biomasse pour casser ses fibres. Autrement dit, ce traitement thermique doux altère la structure fibreuse de la biomasse, facilitant ainsi son broyage. Cela permet de réduire le coût énergétique de broyage et d'obtenir des particules moins fibreuses, donc plus faciles à transporter, stocker et à injecter dans un réacteur en aval: voir publication [11]. La poudre obtenue pour une torréfaction poussée de la biomasse, c'est-à-dire conduisant à une perte de masse supérieure à 30% par l'opération, présente des caractéristiques proches de celles obtenues avec du charbon. Cela permet d'utiliser la solution classiquement retenue pour le broyage et pour l'injection de poudre qui est le convoyage pneumatique (phase dense). En effet, comme déjà évoqué, les caractéristiques intrinsèques de la biomasse (matériau fibreux et élastique) sont à l'origine des difficultés de stockage, transport et d'injection dans des réacteurs de conversion thermochimique. Ainsi, le pré-traitement thermique de torréfaction permet de résoudre le problème, mais pour un coût énergétique qui pourrait s'avérer prohibitif. Des évaluations sont actuellement en cours.
  • La deuxième voie consiste en l'optimisation soit de broyeurs donnés en fonction du type de biomasse soit de chaines complètes de broyage mécanique.
  • Ainsi, dans la publication [4], des solutions technologiques de broyage mécanique déjà éprouvées sont étudiées en fonction du type de biomasse avec comme objectif principal la réduction du coût énergétique de l'opération de broyage et l'adaptation à l'application visée.
  • Il a déjà été également proposé d'utiliser deux broyeurs en série pour broyer finement de la biomasse.
  • L'équipe d'Esteban propose explicitement la mise en série de deux broyeurs afin d'optimiser le coût énergétique de broyage : voir publication [12]. Ici encore, le choix s'est porté sur la mise en œuvre de deux broyeurs du même type, à savoir des broyeurs à marteaux. Les auteurs ont alors travaillé sur l'intégration de l'ensemble pour optimiser le coût énergétique de la chaine et la granulométrie du produit final. Ils ont ainsi déterminé le seuil granulométrique en sortie du premier broyeur, optimisé les types de recirculation du produit. Sur la base de leurs essais, les auteurs estiment que le coût du broyage à échelle industrielle, c'est-à-dire pour un débit de l'ordre de 10t/h, s'élève à 120 à 150 kWh/t pour des plaquettes forestières (peuplier ou pin respectivement). Toutefois, les auteurs précisent dans la publication [12] qu'il n'a pas été possible d'utiliser une grille de tamisage de taille de tamis inférieure à 1.5 mm en sortie du deuxième broyeur, à cause de problèmes de bourrage. Autrement dit, avec la solution selon Esteban, il apparaît impossible d'obtenir au final des particules broyées finement.
  • L'équipe de Siyi Luo et al. propose quant à elle une chaîne de broyage capable de traiter mécaniquement à la fois du bois (pin) et des biomasses plus tendres (paille, tiges...) : voir publication [13]. La chaîne proposée permet de réduire les dimensions des particules jusqu'à des valeurs de 250µm fixée par un cyclone en aval afin qu'elles puissent être utilisée dans un brûleur. Plus précisément, la chaîne proposée comprend deux broyeurs en série, à technologie identique dite à lames (en anglais « crushers »). En fonctionnement, le premier broyeur, c'est-à-dire celui le plus en amont, a son axe qui s'étend à l'horizontal tandis que l'axe du second broyeur s'étend à la vertical. Le coût énergétique est évalué à une valeur de 87 kWh/t pour les plaquettes de pin. L'effet de cette chaîne de broyage sur les propriétés de coulabilité et d'injection de la poudre dans un réacteur n'est pas étudié par l'équipe de Siyi Luo et al. En outre, il est à noter que la chaîne intègre un séchage initial de la biomasse, dont le coût énergétique n'est pas intégré dans la valeur évaluée. Par ailleurs, si la granulométrie de la poudre est donnée, la forme des particules de la poudre n'a pas été caractérisée.
  • La demande de brevet US 2001/016467 divulgue un procédé de broyage ultrafin de particules choisies parmi celles destinées à la production de substances pharmaceutiques ou de matériaux nanostructurés en céramique ou pour les domaines optique et l'électronique, procédé selon lequel les particules à broyer sont introduites dans un broyeur de type vibrant simultanément avec des corps de broyage et des additifs solides, tels que des cristaux d'eau glacée, de CO2 glacé ou des agents réfrigérants.
  • Le but général de l'invention est de pallier au moins une partie des inconvénients de l'état de l'art de traitement de biomasse et plus généralement de charge de matière carbonée en vue de son injection sous forme pulvérisée dans un réacteur de conversion en aval (gazéification) ou dans un réacteur de combustion ou dit de co-combustion (biomasse et charbon) dans une centrale thermique à charbon ou en vue de sa granulation pour réaliser des biocombustibles.
  • Un but particulier est de proposer un procédé de broyage fin de biomasse, et plus généralement de charge de matière carbonée, qui améliore les propriétés (coulabilité, aptitude à la fluidisation) de la poudre obtenue et ce, à un moindre coût énergétique. Autrement dit, on cherche selon le but particulier à éviter les agglomérats de poudre de biomasse finement broyées afin d'améliorer leur capacités à être transportées, manipulées, et injectées dans un réacteur de conversion en aval.
    • Exposé de l'invention
  • Pour ce faire, l'invention a pour objet un procédé de broyage fin d'une charge de matière carbonée selon lequel on introduit la charge de matière carbonée, sous forme de particules de dimensions millimétriques ou microniques, en entrée d'une première chambre de broyeur de type vibrant dont la sortie est reliée à l'entrée d'une deuxième chambre de broyeur de type vibrant, la première et la deuxième chambres de broyeur vibrant comprenant chacune des corps de broyage logés de façon libre en son sein et adaptés pour broyer des particules, procédé selon lequel on met en vibration la première et la deuxième chambres de sorte à concasser les particules introduites d'une part entre les corps de broyage et d'autre part entre ceux-ci et la paroi interne périphérique de chaque chambre.
  • Selon l'invention, on introduit en outre en entrée de la deuxième chambre du deuxième broyeur vibrant des additifs de matière minérale et/ou des additifs de matière végétale et/ou des additifs de matière d'origine végétale, les additifs étant sous la forme d'une poudre de dimension micronique.
  • Par « poudre de dimension micronique », on entend une poudre dont les particules ont des dimensions unitaires inférieures à 1 mm avec le cas échéant des particules élémentaires de taille nanométrique, typiquement de l'ordre de 100nm.
  • Selon un mode de réalisation préféré, la charge de matière carbonée est de la biomasse. Ainsi, pour réaliser une opération de broyage fin de biomasse, les inventeurs ont pensé à mettre en série deux chambres ou étages de broyeurs vibrants, ce qui est avantageux d'un point de vue coût énergétique, et d'introduire dans celle la plus en aval, c'est-à-dire celui dans lequel les particules de biomasse sont déjà finement broyées à l'échelle submillimétrique, des additifs de matière minérale et/ou de matière végétale et/ou de matière d'origine végétale, sous la forme d'une poudre de dimension micronique, de préférence de dimension inférieure à 5 µm. Ainsi, avec de telles dimensions on réalise un enrobage en voie sèche au moins partiel des particules de biomasse, ce qui permet d'améliorer les propriétés de coulabilité et l'aptitude à la fluidisation de la poudre finalement obtenue. Autrement dit, les particules très fines d'additifs de matière minérale et/ou de matière végétale et/ou de matière d'origine végétale, sont mises en contact direct et étroit avec les relativement plus grosses particules de biomasse, par application de forces mécaniques de cisaillement et d'impact par exemple. En fonction de la biomasse utilisée, les additifs peuvent être choisis parmi le Stéarate de magnésium (C36H70MgO4), la silice sous forme de microperles, telle que celle commercialisée sous la dénomination commerciale New reach SilicaFume NR950 et qui contient 95% de SiO2 ou encore celle commercialisée par la société RHODIA sous la dénomination commerciale Tixosil®68 et qui contient 90% de la silice amorphe ou encore sous la dénomination Tixosil®331. Les additifs peuvent aussi être à base de particules d'oxydes de silicium SiO2 ou contenant du CaCO3. Autrement dit, selon l'invention on incorpore des additifs qui permettent un bon fonctionnement d'un réacteur de gazéification en aval.
  • Grâce au procédé de broyage fin de biomasse selon l'invention, on peut désormais envisager de réaliser à l'échelle industrielle et en continu une injection par gravité directement dans des réacteurs de conversion thermo-chimique, ce que l'on n'envisageait pas jusqu'à ce jour du fait même de la mauvaise coulabilité et/ou aptitude à la fluidisation des poudres de biomasse connues, avec l'effet de voûte indésirable qui pouvait se produire.
  • On précise ici que par « coulabilité de la poudre », on entend la définition donnée dans la publication [14], à savoir l'aptitude à s'écouler librement de manière régulière et constante sous la forme de particules individuelles.
  • On choisit avantageusement la composition des minéraux des additifs pour qu'ils constituent un complément minéral chimique requis pour la gestion des cendres dans un réacteur de gazéification en aval. En effet, on sait que la teneur en cendre de la biomasse est très variable et de composition très différente. La publication [15] indique que le bois contient typiquement 0.5-1% de cendre avec en majorité du calcium et du potassium, alors que la paille de blé contient 8% de cendres avec en majorité du potassium et de la silice Ainsi, pour ces deux types de biomasse, il y a des écarts importants de teneur en cendre et des compositions très différentes. Ces différences impactent directement le fonctionnement d'un réacteur de gazéification : le fonctionnement avec du bois engendre une température requise de fusion des cendres très élevée, ce qui nécessite l'ajout d'additifs (silice dans ce cas) pour ajuster cette température au fonctionnement du réacteur, typiquement aux environs de 1300-1400°C. Inversement, le fonctionnement avec de la paille entraine une température de fusion requise trop basse pour le fonctionnement d'un réacteur de gazéification nécessitant l'ajout d'additifs différents (calcium) pour remonter cette valeur de température. Ainsi, de préférence, la poudre micronique d'additifs de matière minérale est riche en silicium ou en calcium (supérieur à 10 % en masse), Si la biomasse traitée est du bois, l'additif est par exemple à base de particules d'oxydes de silicium SiO2 ou à base de silice microperle. Si la biomasse traitée est issue de résidus agricoles avec une faible teneur en calcium, les additifs permettant la maitrise de l'opération de gazéification sont de préférence issus de la chaux, c'est-à-dire un mélange d'oxyde de carbonate de calcium CaCO3 et d'oxyde de magnésium.
  • Selon un mode de réalisation préféré, on réalise avantageusement une étape de prébroyage à l'aide d'un broyeur à couteaux qui produit une poudre avec des particules moins longues (rapport longueur/diamètre réduit) et un taux de fines particules (<30 µm) réduit. Une calibration des particules par tamisage améliore en outre significativement l'efficacité du broyage fin et de mise en forme des particules. L'opération de tamisage peut être réalisée de sorte à avoir des particules de dimensions inférieures à 500 µm. Ainsi, avantageusement, on réalise un prébroyage des particules de dimensions unitaires de l'ordre du millimètre et on utilise le broyeur vibrant pour ajuster la mise en forme des particules (supprimer les fibrilles, arrondir les angles et raccourcir leur longueur).
  • Les additifs de matière végétale sont avantageusement à base de charbon, tel que du charbon de bois et/ou du charbon de paille de céréale. Les additifs de matière végétale peuvent être également avantageusement à base de biomasse torréfiée, tel que du bois torréfié, ou des produits agricoles torréfiés, c'est-à-dire ayant subi au préalable une tels que de la paille de céréale, de l'écorce, des coquilles (noyaux de cerise, coques de noix...).
  • De préférence, la quantité d'additifs de matière végétale ajoutés est comprise entre 0,5 et 20% en masse de la charge de matière carbonée, de préférence encore entre 5 et 10%. On a constaté que plus la quantité d'additifs ajoutés est importante, meilleure est la coulabilité obtenue en sortie de broyeur vibrant. Ainsi, la gamme préférée est avantageuse car elle est un bon compromis entre d'une part à l'amélioration de la coulabilité selon l'invention et le coût de réalisation du procédé.
  • Les additifs de matière d'origine végétale peuvent être avantageusement à base de charbon fossile. On précise ici que le charbon fossile (charbon de terre) provient de la dégradation de la matière organique végétale et qu'il contient des minéraux dont la teneur peut varier en fonction de la zone géographique d'extraction du charbon.
  • Selon une variante avantageuse, les dimensions des particules de la charge de matière carbonée introduite dans la première chambre de broyeur vibrant sont sensiblement comprises entre 1 et 2 mm.
  • Selon une variante avantageuse, les dimensions de la poudre micronique d'additifs introduite dans la deuxième chambre de broyeur vibrant sont sensiblement inférieures à 5 µm.
  • De préférence, les dimensions des particules de la charge de matière carbonée obtenues en sortie de la deuxième chambre de broyeur vibrant sont inférieures à 800 µm, de préférence inférieures à 200 µm.
  • Selon une variante avantageuse, les corps de broyage du broyeur vibrant logés de façon libre à l'intérieur de la chambre consistent en plusieurs jeux de barres cylindriques de diamètre unitaire différents entre eux.
  • L'invention concerne également un procédé de traitement de biomasse selon lequel on fait sécher de la biomasse à l'état brut, puis on réalise le procédé de broyage fin tel que décrit précédemment en introduisant dans la première chambre de broyeur vibrant la biomasse au moins séchée. De préférence, l'alimentation en biomasse séchée est faite avec une teneur en eau de celle-ci dans une gamme de 10 à 15%.
  • Selon un mode de réalisation avantageux, on réalise en amont du procédé de broyage fin, un pré-broyage de la biomasse séchée en introduisant celle-ci dans une chambre d'un broyeur de type à couteaux ou à ciseaux. Un broyeur à couteaux ou à ciseaux comprend, par exemple, des encoches pratiquées sur un arbre central monté en rotation dans la chambre, les encoches étant adaptées pour arracher les particules de biomasse séchée contre la paroi interne périphérique de la chambre. Selon une variante avantageuse, les dimensions des particules de la biomasse pré-broyée son sensiblement supérieures à 1 mm.
  • Selon un mode de réalisation avantageux, on réalise en amont du procédé de broyage fin, et en aval du pré-broyage de la biomasse séchée, un tamisage de la biomasse pré-broyée. Selon une variante avantageuse, le tamisage de la biomasse pré-broyée est réalisé de sorte à réaliser le procédé de broyage fin à partir de particules de dimensions millimétriques inférieures à 2 mm ou de dimensions microniques inférieures à 500 µm. De préférence, les particules de dimensions millimétriques supérieures à 2 mm sont réintroduites dans le broyeur à couteaux.
  • Selon un mode de réalisation avantageux, en sortie de deuxième chambre de broyeur vibrant on sélectionne les particules obtenues en fonction de leurs dimensions de sorte à ce que celles-ci soient inférieures à 800 µm, de préférence inférieures à 200 µm.
  • Selon un mode de réalisation avantageux, on fait un traitement thermique de torréfaction à de la biomasse, puis on réalise le procédé de broyage fin tel que décrit ci-dessus en introduisant dans la première chambre du broyeur vibrant la biomasse torréfiée.
  • L'invention a également pour objet une installation de traitement de biomasse en continu, destinée à mettre en œuvre le procédé tel que décrit ci-dessus, comprenant :
    • une première chambre de broyeur de type vibrant,
    • une deuxième chambre de broyeur de type vibrant dont l'entrée est reliée à la sortie de la première chambre de broyeur vibrant;
    • un broyeur de micronisation pour broyer des additifs de matière minérale et/ou de matière végétale et/ou de matière d'origine végétale, sous la forme d'une poudre de dimension micronique, la sortie du broyeur de micronisation étant reliée à l'entrée de la deuxième chambre de broyeur vibrant.
  • L'installation peut comprendre en outre un appareil de séchage en amont de la première chambre de broyeur vibrant. Elle peut également comprendre en outre immédiatement en aval de l'appareil de séchage et en amont de la deuxième chambre de broyeur vibrant, un broyeur à couteaux. Elle peut également comprendre en outre immédiatement en aval du broyeur à couteaux et immédiatement en amont de la première chambre de broyeur vibrant, un appareil de tamisage. Elle peut enfin comprendre en outre un sélecteur dynamique à vitesse variable immédiatement en aval de la deuxième chambre de broyeur vibrant, ledit sélecteur dynamique étant adapté pour extraire en sortie de la deuxième chambre de broyeur vibrant des particules inférieures à un diamètre souhaité. Les corps de broyage du broyeur vibrant logés de façon libre à l'intérieur de la chambre consistent avantageusement en plusieurs jeux de barres cylindriques de diamètre unitaire différents entre eux.
    • Description détaillée
  • D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée de l'invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes parmi lesquelles :
    • la figure 1 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation d'une installation de traitement de biomasse en continu intégrant un broyeur vibrant à double étages et permettant de mettre en œuvre le procédé de broyage fin de la biomasse se selon l'invention ;
    • la figure 1A est une vue schématique d'une variante de réalisation d'une installation selon le premier mode illustré de la figure 1;
    • la figure 2 est une vue schématique d'un deuxième mode de réalisation d'une installation de traitement de biomasse en continu intégrant un broyeur vibrant à double étages et permettant de mettre en œuvre le procédé de broyage fin de la biomasse se selon l'invention ;
    • la figure 3 est un graphique de relevés d'essais qui traduit le nombre de mesures à une valeur d'angle d'avalanche donnée, les essais étant réalisés avec une poudre de bois (hêtre) en tant que charge de matière carbonée du procédé de broyage fin selon l'invention et avec ou sans additifs de matière minérale;
    • la figure 4 est un graphique de relevés d'essais qui montre la valeur d'angle d'avalanche en fonction du type de poudre de bois en tant que charge de matière carbonée du procédé de broyage fin selon l'invention et avec ou sans additifs de matière minérale;
    • la figure 5 est un graphique de relevés d'essais qui traduit le nombre de mesures à une valeur d'angle d'avalanche donnée, les essais étant réalisés avec une farine de bois (sciure) en tant que charge de matière carbonée du procédé de broyage fin selon l'invention et avec ou sans additifs de matière d'origine végétale;
    • la figure 6 est un graphique de relevés d'essais qui traduit le nombre de mesures à une valeur d'angle d'avalanche donnée, les essais étant réalisés avec une poudre de bois (hêtre) en tant que charge de matière carbonée du procédé de broyage fin selon l'invention et avec ou sans additifs de matière d'origine végétale;
  • Dans la description qui va suivre les termes « entrée », « sortie » « amont », «aval », « premier », « deuxième » sont utilisés par référence avec la direction de transfert de la biomasse et de la poudre d'additifs à la fois dans les broyeurs vibrant selon l'invention, et dans l'installation intégrant les broyeurs.
  • Dans le mode de réalisation de la figure 1, l'installation comprend tout d'abord en amont un sécheur 1 alimenté en biomasse brute traitée pour réaliser son séchage. A titre d'exemple, la biomasse brute traitée consiste en des plaquettes forestières, typiquement de quelques mm d'épaisseur et de quelques cm de longueur. A titre d'exemple également, le débit de biomasse brute traitée est de l'ordre de 1 t/h et le sécheur 1 utilisé est un sécheur à four tournant, commercialisé par la société MAGUIN. Cette étape de séchage permet d'avoir une consommation énergétique réduite de l'opération de pré broyage immédiatement en aval d'une part et permet le fonctionnement optimal de l'opération de broyage selon l'invention d'autre part. On peut envisager tous types de sécheurs disponibles sur le marché (four tournant, sécheur à bande etc....) pour réaliser cette étape.
  • Une fois la biomasse séchée en sortie du sécheur 1, elle est introduite dans un broyeur à couteaux 2 qui réalise donc une étape de pré-broyage mécanique des particules de biomasse séchée. A titre d'exemple, le broyeur à couteaux 2 peut être de type monorotor (FL/FNG/FNV) fonctionnant également au débit de 1 t/h et commercialisé sous la dénomination commerciale Poittemill Forplex. Pour réduire le coût énergétique de cette opération de pré-broyage, on veille à obtenir avantageusement en sortie du broyeur à couteaux des particules de dimensions au moins égales au millimètre.
  • Pour optimiser l'opération de pré-broyage et réduire la distribution granulométrique des particules, une opération de tamisage est réalisée en continu à l'aide d'un appareil de tamisage 3. A titre d'exemple, il peut s'agir d'un tamiseur vibrant commercialisé par la société RITEC, sous l'appellation de type MC.
  • Comme montré sur la figure 1, les particules de dimensions supérieures à 2 mm sont de préférence réinjectées dans le broyeur à couteaux 2. Au cours de cette étape de tamisage en continu, on peut avantageusement réaliser une extraction des très fines particules, de diamètre inférieur à 30 µm, à l'aide d'un sélecteur dynamique non représenté : selon cette variante, la fraction ainsi prélevée peut être utilisée comme combustible pour apporter de l'énergie au sécheur 1. Ainsi, en sortie de l'appareil de tamisage on obtient des particules de dimensions comprises sensiblement entre 1 et 2 mm. On peut également réaliser cette opération de tamisage avec un appareil de tamisage d'ouvertures de mailles de dimensions micrométriques (microniques) de sorte à obtenir en sortie de l'appareil des particules de biomasse séchée de dimensions microniques, typiquement comprises entre 0 et 500 µm ou entre 0 et 200 µm.
  • On réalise enfin en continu un broyage fin des particules de biomasse séchées, pré-broyées, et tamisées. Pour ce faire, ces particules sont tout d'abord introduites en entrée d'une première chambre 5 d'un broyeur vibrant. La sortie de cette première chambre de broyeur vibrant 5 est reliée directement et immédiatement en aval à l'entrée d'une deuxième chambre 7 de broyeur vibrant.
  • Selon l'invention, on introduit en entrée de la deuxième chambre 7 de broyeur vibrant concomitamment au passage des particules de biomasse déjà finement broyées dans la première chambre 5 de broyeur vibrant, une poudre micronique d'additifs 4 (CaCO3 + SiO2 ou silice microperle...).
  • Comme montré sur cette figure 1, les additifs 4 peuvent être micronisés en continu à un diamètre inférieur à 20 µm, de préférence inférieur à 5µm au moyen d'un broyeur de micronisation 6. Les première et deuxième chambres, respectivement 5 et 7, de broyeur vibrant peuvent être réalisées dans le même appareil. A titre d'exemple, il peut s'agir de celui commercialisé par la société RITEC sous l'appellation Palla 50U (90 kW) qui intègre deux étages de broyage ou autrement dit deux chambres dans un même appareil. En tant que corps de broyage logés librement à l'intérieur de la chambre des broyeurs vibrants, on peut utiliser des corps en acier de préférence sous forme de barres cylindriques pleines. De préférence encore, les barres cylindriques utilisées peuvent avoir un diamètre compris entre 10 et 60 mm, de préférence compris entre 20 et 50 mm. Les corps broyants peuvent être également soit sous forme de boulets, soit sous forme de cylpebs. De préférence, les corps broyants sont de dimensions unitaires différentes entre eux. Selon une variante avantageuse, on peut utiliser avantageusement plusieurs jeux de barres cylindriques de diamètres unitaires différents entre eux, logés de façon libre dans une même chambre du broyeur vibrant 5. On améliore ainsi encore l'efficacité du broyage car comparativement à des barres cylindriques de même diamètre unitaire, on réduit statistiquement les jeux entre barres de diamètre unitaire différent.
  • A titre d'exemple également, le broyeur de micronisation 6 des additifs 4 peut aussi être un broyeur de type vibrant, commercialisé par la société RITEC, sous l'appellation labo/pilote (2.2 kW), et son débit de fonctionnement peut être égal à 10 kg/h. Le broyage fin selon l'invention combine alors avantageusement l'effet de la deuxième chambre 7 de broyeur vibrant et des additifs 4 finement broyés (poudre micronique). On réalise ainsi en quelque sorte un enrobage en voie sèche au moins partiel des particules de biomasse déjà préalablement broyées dans la première chambre 5 de broyeur vibrant. On améliore ainsi les propriétés de coulabilité et d'aptitude à la fluidisation de la poudre. On évite, à tout le moins on réduit, considérablement l'effet de voûte d'une telle poudre classiquement constatés dans les silos de stockage. De préférence, les additifs 4 ont une composition minérale choisie au mieux pour maitriser la température de fusion des cendres dans un réacteur de gazéification en aval.
  • En sortie de la deuxième chambre 7 de broyeur vibrant, on extrait les particules de dimensions unitaires inférieure à 30 µm à l'aide d'un sélecteur dynamique 6. A titre d'exemple, le sélecteur dynamique 6 peut être celui commercialisé par la société RHEWUM sous l'appellation de type AQ. Cette extraction est avantageuse car les très fines particules amoindrissent la propriété d'écoulement de la poudre. Cette fraction extraite peut être utilisée en tant que produit de combustion directement dans un réacteur de conversion en aval et/ou en tant que produit de combustion directement dans le sécheur 1 en amont, ce qui permet encore de réduire le coût énergétique.
  • Dans la variante illustrée en figure 1A, les particules de biomasse séchées, pré-broyées, et tamisées sont introduites concomitamment avec des particules de matière minérale abrasive 4' en entrée de la chambre d'un broyeur vibrant 5. Le broyage fin selon l'invention par enrobage des particules de biomasse par les additifs est ainsi complété avantageusement par l'effet de la première chambre 5 de broyeur vibrant et des particules abrasives minérales 4' injectées. Autrement dit, la première chambre 5 de broyeur vibrant fonctionne en fonctionnement semi autogène avec la poudre broyante 4' abrasive minérale de dimensions de particules égales à 3 mm. De préférence, les particules abrasives minérales 4' injectées sont à base de particules d'oxydes de silicium SiO2. De préférence, elles ont une composition chimique avec une teneur en SiO2 supérieure à 80%. Ainsi, il peut s'agir de silice (sable) ou de quartz par exemple.
  • On peut avantageusement ajuster la quantité de la poudre d'abrasifs 4' avec la poudre micronique d'additifs 4 injectée pour avoir une température de fusion des cendres ajustée à la température du fonctionnement du réacteur de gazéification en aval. Ainsi, de préférence, on choisit des proportions relatives entre des additifs 4 contenant du CaO et la poudre abrasive 4' contenant au moins 80% de SiO2 dans une plage pouvant varier entre 35% et 65% de chacun de ces deux constituants, à savoir le CaO et le SiO2, afin d'avoir une température de fonctionnement d'un réacteur de gazéification en aval comprise entre 1436 et 1460 °C.
  • Dans le mode illustré en figure 2, au lieu de sécher, pré-broyer et tamiser en continu les particules comme dans le mode illustré en figures 1 et 1A, on introduit directement en entrée de la première chambre 5 de broyeur vibrant de la biomasse ayant subie au préalable une étape de traitement thermique de torréfaction. Il peut s'agir de plaquettes forestières déchiquetées au préalable à des dimensions unitaires de 50 mm et torréfiées.
  • Pour optimiser le coût énergétique de l'installation qui vient d'être décrite, on veille à trouver un optimum entre les dimensions des particules visées entre l'étape de prébroyage par le broyeur à couteaux 2 et de broyage fin par les première et deuxième chambres 5 et 7 de broyeur vibrant et l'énergie totale consommée.
  • On a réalisé différents essais sur des échantillons pour corroborer l'effet de meilleure coulabilité de la charge de matière carbonée broyée grâce aux additifs introduits en entrée de la première chambre de broyeur vibrant selon l'invention.
  • Afin d'évaluer quantitativement la coulabilité, on mesure ce qu'on appelle l'angle d'avalanche qui est une caractéristique d'un écoulement de poudre: plus l'angle a une valeur faible, mieux coule la poudre. L'angle d'avalanche de chaque échantillon a été mesuré au moyen d'un appareil commercialisé sous la dénomination REVOLUTION par la société MERCURY SCIENTIFIC. Cet appareil comporte un tambour tournant sur lui-même et à l'intérieur duquel on place la poudre dont on cherche à mesurer l'angle d'avalanche.
  • On a tout d'abord réalisé une première série d'essais avec des additifs de silice sous forme de microperles, qui sont celle commercialisée par la société RHODIA sous la dénomination commerciale Tixosil®331.
  • Cette première série d'essais est réalisée avec une poudre de bois de hêtre naturel de dimensions de particules comprises entre 0 et 500 µm à laquelle on a ajouté un pourcentage plus ou moins important d'additifs Tixosil®331. On précise ici que sur les figures 3, 4 et 6 l'abréviation %m signifie le pourcentage en masse des additifs par rapport à la quantité de la biomasse concernée.
  • La figure 3 illustre le nombre d'occurrences (mesures) pour un angle d'avalanche donné pour la poudre de bois de hêtre naturel respectivement sans additif, avec 1% en masse ajoutée de Tixosil®331 et avec 2% en masse ajoutée de Tixosil®331. Il ressort clairement que l'angle d'avalanche moyen mesuré est plus faible pour une plus grande quantité de Tixosil®331 ajoutée. Autrement dit, la coulabilité de la poudre de hêtre naturel en condition d'écoulement libre est améliorée par l'ajout d'additifs de matière minérale Tixosil®331. Cette amélioration est d'autant plus grande que la quantité d'additif est importante.
  • On a réalisé une deuxième série d'essais toujours avec les mêmes additifs de matière minérale Tixosil®331, avec une poudre de bois de hêtre naturel mais avec des dimensions de particules comprises entre 0 et 200 µm et pour deux lots différents.
  • On a également réalisé une troisième série d'essais avec les mêmes additifs de matière minérale Tixosil®331, mais avec une poudre de bois d'épicéa de dimensions de particules comprises entre 0 et 200 µm et pour un seul lot.
  • Le graphique de la figure 4 illustre les résultats obtenus pour ces deuxième et troisième série d'essais : il ressort que l'angle d'avalanche mesuré est plus faible pour une plus grande quantité de Tixosil®331 ajoutée pour chaque lot et quelle que soit la nature du bois (hêtre naturel ou épicéa). Autrement dit, la coulabilité de la poudre de bois en condition d'écoulement libre est améliorée par l'ajout d'additifs de matière minérale Tixosil®331 quelle que soit la nature (hêtre naturel ou épicéa) du bois. Pour la poudre d'hêtre naturel ou d'épicéa, l'amélioration de la coulabilité est d'autant plus grande que la quantité d'additif de matière minérale Tixosil®331 est importante. Par exemple, pour le lot N°1 de la poudre d'hêtre naturel, une quantité ajoutée d'additifs de matière minérale Tixosil®331 de 2% en masse diminue la valeur de l'angle d'avalanche de 58° (sans additif) à 50°.
  • On a réalisé d'autres essais avec en tant qu'additifs à du bois des additifs de matière d'origine végétale.
  • La figure 5 illustre le nombre d'occurrences (mesures) pour un angle d'avalanche donné pour la farine de bois (sciure) de dimensions de particules comprises entre 0 et 200 µm, respectivement sans additif et avec une dizaine de % en masse (□50%) ajoutée de charbon fossile («coal» en anglais). Il ressort clairement que l'angle d'avalanche moyen mesuré est plus faible lorsqu'on ajoute du charbon fossile. Autrement dit, la coulabilité de la poudre de farine de bois en condition d'écoulement libre est améliorée par l'ajout d'additifs de charbon fossile.
  • On a réalisé enfin des essais avec en tant qu'additifs à du bois des additifs de matière végétale.
  • La figure 6 illustre le nombre d'occurrences (mesures) pour un angle d'avalanche donné pour de la poudre de hêtre naturel de dimensions de particules comprises entre 0 et 200 µm, respectivement sans additif et avec 10 % en masse ajoutée de charbon de bois. Il ressort clairement que l'angle d'avalanche moyen mesuré est plus faible lorsqu'on ajoute du charbon de bois. Autrement dit, la coulabilité de la poudre de de hêtre naturel en condition d'écoulement libre est améliorée par l'ajout d'additifs de charbon de bois.
  • On peut conclure de l'ensemble de ces essais, que la coulabilité d'une poudre ou farine de bois de dimensions de particules microniques, en condition d'écoulement libre est améliorée par l'ajout d'additifs sous la forme d'une poudre de dimension micronique, ces additifs pouvant être de matière minérale, de matière végétale ou de matière d'origine végétale. Cette amélioration de coulabilité est d'autant plus marquée que la quantité d'additifs ajoutée à la poudre ou farine de bois est importante.
  • Bien que décrite en référence exclusivement à la biomasse, l'installation peut être utilisée pour le broyage fin d'autres charges de matière carbonée (charbon, petcoke...).
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Claims (15)

  1. Procédé de broyage fin d'une charge de matière carbonée selon lequel on introduit la charge de matière carbonée, sous forme de particules de dimensions millimétriques ou microniques, en entrée d'une première chambre (5) de broyeur de type vibrant dont la sortie est reliée à l'entrée d'une deuxième chambre (7) de broyeur de type vibrant, la première et la deuxième chambres de broyeur vibrant comprenant chacune des corps de broyage logés de façon libre en son sein et adaptés pour broyer des particules, procédé selon lequel on met en vibration la première et la deuxième chambres de sorte à concasser les particules introduites d'une part entre les corps de broyage et d'autre part entre ceux-ci et la paroi interne périphérique de chaque chambre, caractérisé en ce qu'on introduit en outre en entrée de la deuxième chambre (7) de broyeur vibrant des additifs (4) de matière minérale et/ou des additifs de matière végétale et/ou des additifs de matière d'origine végétale, les additifs étant sous la forme d'une poudre de dimension micronique.
  2. Procédé de broyage fin selon la revendication 1, selon lequel les additifs de matière minérale sont à base de particules d'oxydes de silicium SiO2 ou contenant du CaCO3, ou à base de silice sous forme de microperles.
  3. Procédé de broyage fin selon l'une des revendications précédentes, selon lequel les additifs de matière végétale sont à base de charbon, tel que du charbon de bois et/ou du charbon de paille de céréale, et/ou à base de biomasse torréfiée, tel que du bois torréfié, ou des produits agricoles torréfiés et/ou à base de charbon fossile.
  4. Procédé de broyage fin selon l'une des revendications précédentes, selon lequel la quantité d'additifs de matière végétale ajoutés est comprise entre 0,5 et 20% en masse de la charge de matière carbonée, de préférence entre 5 et 10%.
  5. Procédé de broyage fin selon l'une des revendications précédentes, selon lequel les dimensions de la poudre micronique d'additifs introduite dans la deuxième chambre (7) de broyeur vibrant sont sensiblement inférieures à 5 µm.
  6. Procédé de broyage fin selon l'une des revendications précédentes, selon lequel les dimensions des particules de la charge de matière carbonée obtenues en sortie de la deuxième chambre (7) de broyeur vibrant sont sensiblement inférieures à 800 µm, de préférence inférieures à 200 µm.
  7. Procédé de traitement de biomasse selon lequel on fait sécher de la biomasse à l'état brut, puis on réalise le procédé de broyage fin selon l'une des revendications précédentes en introduisant dans la première chambre (5) de broyeur vibrant la biomasse au moins séchée.
  8. Procédé de traitement de biomasse selon la revendication 7, selon lequel on réalise en amont du procédé de broyage fin, un pré-broyage de la biomasse séchée en introduisant celle-ci dans une chambre d'un broyeur de type à couteaux ou à ciseaux.
  9. Procédé de traitement de biomasse selon la revendication 8, selon lequel on réalise en amont du procédé de broyage fin, et en aval du pré-broyage de la biomasse séchée, un tamisage de la biomasse pré-broyée.
  10. Procédé de traitement de biomasse selon la revendication 9, selon lequel le tamisage de la biomasse pré-broyée est réalisé de sorte à réaliser le procédé de broyage fin à partir de particules de dimensions millimétriques inférieures à 2 mm ou de dimensions microniques inférieures à 500 µm.
  11. Procédé de traitement de biomasse selon lequel on fait un traitement thermique de torréfaction à de la biomasse, puis on réalise le procédé de broyage fin selon l'une des revendications 1 à 6 en introduisant dans la première chambre du broyeur vibrant la biomasse torréfiée.
  12. Installation de traitement de biomasse en continu, destinée à mettre en œuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, comprenant :
    - une première chambre (5) de broyeur de type vibrant,
    - une deuxième chambre (7) de broyeur de type vibrant dont l'entrée est reliée à la sortie de la première chambre de broyeur vibrant;
    - un broyeur de micronisation (6) pour broyer des additifs (4) de matière minérale et/ou de matière végétale et/ou de matière d'origine végétale, sous la forme d'une poudre de dimension micronique, la sortie du broyeur de micronisation étant reliée à l'entrée de la deuxième chambre de broyeur vibrant (7).
  13. Installation de traitement de biomasse en continu selon la revendication 12, comprenant en outre immédiatement en aval de l'appareil de séchage et en amont de la deuxième chambre de broyeur vibrant, un broyeur à couteaux (2).
  14. Installation de traitement de biomasse en continu selon l'une des revendications 12 ou 13, comprenant en outre un sélecteur dynamique à vitesse variable (6) immédiatement en aval de la deuxième chambre de broyeur vibrant, ledit sélecteur dynamique étant adapté pour extraire en sortie de la deuxième chambre de broyeur vibrant des particules inférieures à un diamètre souhaité.
  15. Installation de traitement de biomasse en continu selon l'une des revendications 12 à 14, dans laquelle les corps de broyage du broyeur vibrant logés de façon libre à l'intérieur de la chambre consistent en plusieurs jeux de barres cylindriques de diamètre unitaire différents entre eux.
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