EP4240818A1 - Procédé de carbonisation hydrothermale - Google Patents

Procédé de carbonisation hydrothermale

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EP4240818A1
EP4240818A1 EP21801138.5A EP21801138A EP4240818A1 EP 4240818 A1 EP4240818 A1 EP 4240818A1 EP 21801138 A EP21801138 A EP 21801138A EP 4240818 A1 EP4240818 A1 EP 4240818A1
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EP
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reactor
gas
rate
emitted
biomass
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Pending
Application number
EP21801138.5A
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German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Louis BOURDAIS
Marlène CHOO-KUN
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Suez International SAS
Original Assignee
Suez International SAS
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a method of thermal conditioning using the thermochemical reaction of hydrothermal carbonization.
  • Hydrothermal carbonization a well-known reaction by the acronym HTC (HydroThermal Carbonization)
  • HTC Hydrothermal carbonization
  • Thermal conditioning the heart of the process of which is the HTC reaction, is carried out at a high temperature - between 175°C and 260°C - and generally in an autoclave under pressure, typically from 9 to 50 bar (i.e. approximately from 1 to 5 MPa), for a time which typically varies from 5 min to 12 h.
  • a catalyst for example thanks to the presence: either of an acid (for example citric or sulfuric or acetic acid), or of a base (for example caustic soda).
  • the HTC reaction can be schematized in the following form: CnHmOp— > CxHyOz + aH2 ⁇ + bCO2,
  • thermochemical reaction modifies the macromolecular but also molecular arrangements, with the consequence of making the material more hydrophobic and of concentrating in particular the carbon atoms and therefore the intrinsic calorific value.
  • This significant increase in the hydrophobicity of the organic matter makes it easier to dehydrate in a subsequent step, for example mechanical pressing or centrifugation.
  • Such a process is used in particular to push the dehydration of sludge from purification stations to very high levels of dry matter. Indeed, when the thermal conditioning step is coupled with a post dehydration step, it is possible for example to reach levels of dry matter content of the order of 70%. That is why the coupling of hydrothermal carbonization with a post-dehydration stage is called “ultra-dehydration”.
  • the quality of the dehydration downstream of the thermal conditioning housing the hydrothermal carbonization reaction, at such a level, is closely linked to the operating conditions applied, in other words, to the good achievement of a minimum progress of the HTC reaction.
  • the kinetics of this HTC reaction depends on the residence time of the product in the reactor, the temperature and pressure level and the quantity of reagent brought together, but also on the nature of the biomass introduced into the reactor. These factors also depend on the quality and properties of the biochar obtained, in particular after a subsequent post-dehydration step.
  • the sewage sludge treated by HTC varies in quality and in particular in dryness over time.
  • the rate of dry matter measured directly upstream of the hydrothermal carbonization reactor does not make it possible to predict the rate of organic matter which in this case is involved in the carbonization reaction.
  • This measurement of the quantity of volatile matter is generally known more than 24 hours after the sample is taken. In fact, said sample must be placed in an oven at 105° C. for 24 hours to determine its dryness. Then this same sample will be passed through an oven at 550°C for 2 hours to burn off the organic fraction of the dry matter.
  • the solutions implemented to monitor the progress of the HTC reaction are based on measuring the pH at the outlet of the reactor and preferably after subsequent heat exchangers used to cool the sludge, i.e. 2 to 3 hours already after the injection of sludge and reagents into the HTC reactor.
  • this measure is not sufficient to predict good final dehydration.
  • the quality of the dehydration is revealed after the operation of pressing the dehydrated material in the form of a cake, only the analyzes of this cake being able to determine the performance and of the ultra-dehydration sequence (HTC + post-dehydration). This time between the moment when the sludge enters the reactor and the moment of analysis of the dehydrated cake can be well over 10 hours.
  • the dehydration performance is found to be insufficient, it is then possible, among other things, to increase the quantity of reagent, the residence time in the reactor or even the heating temperature of the reactor. On the other hand, it is necessary to wait for several final dehydration tanks to quantify the effect linked to the increase in one of these three parameters, in particular because of the different storage stages downstream.
  • the analysis of the pH is then most often carried out downstream of the reactor, after expansion to atmospheric pressure and at temperatures well below 100°C.
  • the measurement requires regular calibration of the pH probe.
  • the indicator of the pH value of the carbonized sludge is therefore an indirect and a posteriori indication of the progress of the reaction within the reactor and in an industrial phase of continuous production of carbonized sludge. Such an adjustment therefore does not make it possible to be fast enough to anticipate the effect produced, as explained above.
  • the aim of the present invention is to overcome the drawbacks of the state of the art by proposing a method making it possible to monitor the degree of progress of the HTC reaction and to regulate said HTC reaction in the reactor in almost "real" time.
  • the invention relates to a process for the hydrothermal carbonization of biomass containing organic matter, said process comprising:
  • biomass comprises organic matter. It may in particular be organic waste and/or sludge, in particular sludge from sewage treatment plants, industrial or municipal wastewater.
  • incoming biomass (“incoming sludge”) the biomass entering the stage or the HTC reactor
  • carbonized biomass the biomass resulting from the HTC stage.
  • dehydrated biomass or “ultra-dehydrated biomass”.
  • the organic matter of the biomass is transformed while it is subjected to specific pressure and temperature conditions in the HTC reactor.
  • This transformation includes a hydrolysis then a decarboxylation and a dehydration in parallel of the organic matter with its own constituents.
  • a mass balance shows that carbon and hydrogen produce CO2 and H2O by a classic oxidation-reduction reaction, 70% to 90% of the O2 disappeared being consumed by this reaction.
  • it is difficult to establish the precise balance of the elements C, H and O because part of the gases formed during the HTC reaction remains dissolved in the liquid fraction, to be released after expansion in the biomass storage tank. charred.
  • these dissolved and gaseous gases are in equilibrium and vary in the same direction.
  • the water vapor formed by the HTC reaction cannot be distinguished from the water resulting from the vaporization of the water contained in the incoming biomass.
  • the gas produced by the HTC reaction is found partly at the outlet of the reactor - part that can be measured - and a soluble part found at the level of the carbonized biomass storage tank, which cannot be measured.
  • the inventors have however demonstrated that there is a correlation between this share of gas emitted in the reactor and the degree of progress of the HTC reaction in progress. They also established a correlation between the rate of production of gases emitted and more particularly the flow of gas emitted, the latter being directly measurable by the flow of incondensable gases measured at the outlet of the reactor or indirectly by the difference between the pressure in the reactor measured at the end and at the start of the reaction (this pressure difference resulting from the transformation of the material, therefore from the progress of the reaction), therefore between the flow rate of gas emitted or the pressure in the reactor and the dryness rate dehydrated biomass.
  • the quantity of gas emitted increases with the degree of progress of the reaction which induces a higher pressure.
  • a variation in pressure thus reveals a variation in the progress and/or performance of the reaction, on which one can act by adjusting one or more reaction parameters, such as the quantity of reactant injected for example.
  • the quantity of gas emitted increases with the degree of progress of the reaction, at constant pressure, and induces a greater gas flow.
  • a variation in the flow of gas emitted thus reveals a variation in the progress and/or performance of the reaction, on which action can be taken by adjusting one or more parameters reactions, such as the quantity of reactant injected for example.
  • the indicator of the progress of the reaction is indeed the rate of production of gases emitted, more particularly of so-called incondensable gases, directly linked by chemical reaction to stoichiometric conditions.
  • the gas production rate T e emitted is determined from the measurement of the pressure prevailing within the reactor during a tank, more precisely at the end of the tank and more specifically, at the end of the carbonization and cooling cycle to a fixed target temperature.
  • the device used being completely sealed, the demonstration of the production of reaction gas, therefore of gas emitted, is revealed by the final pressure in the reactor.
  • the initial quantity of product introduced is constant and the initial pressure equal to ambient air. Any higher pressure after the reaction is therefore the result of gas residing in the reactor, whose saturation pressure is much lower than that of water.
  • the partial pressure of water being constant and known at a given temperature
  • knowledge of the temperature and the pressure in the reactor at the end of the tank makes it possible to precisely calculate the overpressure linked to the production of incondensable gases by the HTC reaction.
  • the pressure or overpressure of the incondensable gases present in the reactor at the end of the batch is thus directly linked to the rate of production of emitted gas T e .
  • the pressure will be measured in the reactor at the end of the tank and after cooling to a predetermined temperature, for example to 75° C. or to 70° C.
  • the measurement of the flow rate of gas emitted or the measurement of the pressure prevailing in the reactor during the HTC reaction of the reactor proves to be a sufficient indicator to know the degree of progress of the carbonization reaction in the reactor.
  • it will be possible to modify the temperature parameters in the reactor via a modification of the temperature of the steam or of the heat transfer fluid), of the quantity of reactant injected (in the reactor or upstream of it). ci), and/or residence time of the biomass in the reactor, in particular by modifying the flow rate of incoming biomass, in order to thus make it possible either to improve the dehydration, or to optimize the consumption of reagent.
  • these same reaction parameters can be adapted for the following batch.
  • the rate of production of gas emitted T e is determined by measuring the flow rate of the non-condensable gases emitted at the outlet of the reactor (directly at the outlet of the reactor).
  • the rate of production of gas emitted T e is calculated from the flow rate of non-condensable gases emitted at the outlet of the reactor.
  • the process according to the invention when it is carried out continuously, therefore advantageously makes it possible to adjust the reaction temperature and/or the quantity of reagent injected and/or the residence time in the reactor in real time in measuring the flow of gas emitted at the outlet of the reactor and by comparing it with the value of the setpoint gas flow, and this throughout the HTC reaction, in a way that is simple to implement, the measurement being made at the outlet of the reactor and not inside.
  • the measurement of the flow rate of gas emitted during the reaction is preferably carried out at the outlet of the reactor.
  • the gas flow emitted is preferably measured using a flow meter when the HTC step is continuous.
  • the measurement of the flow rate of gas emitted at the outlet of the reactor is then carried out after the passage of the gases emitted in gas condensation or dehydration means, such as a condenser, in particular of the “scrubber” type.
  • gas condensation or dehydration means such as a condenser, in particular of the “scrubber” type.
  • the process according to the invention when it is carried out in a tank, advantageously makes it possible to adjust the reaction temperature and/or the quantity of reactant injected and/or the residence time by measuring the pressure within the reactor and comparing it to the setpoint pressure, for the next batch.
  • it is possible to adjust the residence time in the reactor by controlling the reaction time for the tank process, and/or to adjust the temperature within the reactor by cooling the reactor sealed by an exchange with a heat transfer fluid through the wall of the reactor or a coil.
  • the heat transfer fluid is typically water, in particular water in the form of steam.
  • the reagent is typically a catalyst to initiate the HTC reaction, which can then be self-sustaining.
  • catalysts are in particular organic or inorganic acids or bases.
  • the acid catalysts are preferably chosen from sulfuric acid and linear or branched Ci-Ce carboxylic acids, and in particular from linear or branched Ci-Ce mono-, di- and di- or tricarboxylic acids, such as formic acid, acetic acid and citric acid.
  • the hydrothermal carbonization reaction is well known to those skilled in the art, who will know how to select the operating ranges of the reaction parameters such as the temperature, pressure, and residence time.
  • the HTC step is carried out at a high temperature - between 150°C and 300°C, preferentially between 175°C and 260°C - and generally under pressure, typically from 10 to 50 bar (i.e. approximately 1 at 5 MPa), for a time which typically varies from 5 min to 12 h, preferably between 1 h and 3 h.
  • the hydrothermal carbonization process according to the invention involves the implementation of various complementary steps.
  • a preliminary step is preferably carried out in which a value of target gas flow rate D c or of target pressure P c is chosen, depending on the dryness desired for the final product. For example, using correlation tables that have been established between gas flow, in particular CC ⁇ /pressure and dryness.
  • tests can be carried out to obtain a target dryness rate (for example 65%) by setting one or more parameters, for example for example the temperature and the residence time (among other things the flow rate), and in this case the flow rate of gas emitted is then measured, which becomes the target gas flow rate D c .
  • a target dryness rate for example 65%
  • the variable parameter being the quantity of reagents.
  • the dosage of reagents can be adjusted to approach it until it returns to it.
  • the adjustment of the quantity of reagent will advantageously be carried out by successive increase and/or decrease, in particular to avoid the runaway of the reaction.
  • the predetermined value of the gas flow “D c ” can be entered into means for monitoring and controlling the installation for implementing the hydrothermal carbonization process.
  • the gas flow rate "D e " emitted at the outlet of the HTC reactor is measured, preferably at regular intervals or continuously, and the value of emitted gas flow D e measured with that of the target gas flow D c (+/- X%). If the emitted gas flow D e is different from the setpoint gas flow D c , at least one of the three parameters will be adjusted:
  • the quantity of reactant injected in particular an HTC reaction catalyst, preferably an acid catalyst such as citric acid
  • an HTC reaction catalyst preferably an acid catalyst such as citric acid
  • the adjustment can be done manually or automatically.
  • the amount of reactant injected is therefore increased and/or decreased as a function of the measured flow rate.
  • the residence time may be modified by corresponding modification of the flow rate of incoming biomass, and/or by modification of the speed of circulation of the biomass in the reactor.
  • the residence time will be modified by modifying the flow rate of incoming biomass.
  • the temperature within the reactor may be modified by modifying the temperature of the heat transfer fluid, and/or of the incoming biomass.
  • the temperature of the heat transfer fluid will be modified.
  • the hydrothermal carbonization process further comprises a step of extracting at least part of the mixture contained in the reactor.
  • the extraction is carried out continuously.
  • the present invention also relates to a process for dehydrating biomass comprising:
  • the mechanical dehydration step may include or consist of a pressing step, in particular by piston press or filter press. This step can also comprise or consist of centrifugation.
  • the dehydrated sludge obtained will advantageously have a dryness of between 40% and 70%, preferably between 60% and 70%.
  • the present invention also relates to an installation for the hydrothermal carbonization of biomass containing organic matter, said installation comprising:
  • a reactor means for entering the biomass into the reactor, injection means in the reactor of a heat transfer fluid and means for injecting a reagent into the reactor, means for circulating a mixture consisting of the biomass, the heat transfer fluid and the reagent under pressure and temperature conditions specific allowing the transformation of organic matter by a hydrothermal carbonization reaction, means for exiting the gas emitted into the reactor, characterized in that
  • reaction control parameters which are the temperature within the reactor, the quantity of reactant injected, and the residence time in the reactor, to adjust the emitted gas production rate T e , so that the value of this emitted gas production rate T e tends to be equal to the value of the setpoint gas production rate T c .
  • the means for determining the rate of production of gas emitted comprise means for measuring the flow rate of gas emitted at the outlet of the reactor.
  • These measurement means preferably comprise a flow meter mounted in the gas outlet duct.
  • condensation or dehydration means are provided upstream of the means for measuring the flow of gas emitted, such as a condenser, in particular of the “scrubber” type. It is also possible to use a water-adsorbing desiccant filter, such as a zeolite filter.
  • the means for determining the rate of production of gas emitted comprise means for measuring the pressure prevailing in the reactor at the end of the cycle.
  • the installation comprises a means of cooling by indirect contact with the fluid in the reactor for a batch process.
  • the installation comprises downstream of the HTC reactor a press, said press comprising at least one biomass inlet, one biomass outlet, said biomass inlet of the press being in fluid connection with the carbonized sludge outlet of the HTC reactor .
  • FIGURES Other advantages and particularities of the invention will appear on reading the detailed description of in no way limiting implementations and embodiments, and of the following figures in which:
  • FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of a continuous hydrothermal biomass carbonization installation according to the invention.
  • FIG. 2 is a graphic representation which highlights the variation in dehydration performance and the flow rate of reaction gas and quantity of reagent for an installation allowing the implementation of a process carried out continuously;
  • FIG. 3 is a graphical representation of a mathematical relationship between the dryness of the final cake and the final pressure at 75°C of an HTC reactor implementing a tank carbonization process.
  • the device shown in Figure 1 comprises a reactor 1 arranged to implement a hydrothermal reaction.
  • the rest of the description will endeavor to describe embodiments with sludge, but could be implemented with other types of biomass, such as organic waste.
  • This hydrothermal reaction comprises the following steps: a sludge injection step in which the sludge is injected into the reactor 1 through a first inlet 11, a steam injection step as heat transfer fluid in which steam is injected into the reactor 1 through a second inlet 12, the second inlet 12 preferably being separate from the first inlet 11, a circulation step in which a mixture consisting of the sludge and the steam injected into the reactor 1 is put into circulation within reactor 1, a step of continuously extracting at least part of the mixture contained in reactor 1 through a sludge outlet 14.
  • the sludge, containing organic matter comes for example from a hopper 2 to be conveyed into a duct (inlet 11 of the device), for example by gravity.
  • the sludge arriving in the duct typically has a dry matter content by weight of dry matter of between 10 and 30%, typically of between 18 and 24%.
  • the interior space of the reactor 1 is further configured to form a degassing volume 13 in an upper part of this interior space (that is to say a part of higher altitude than other parts of this interior space ).
  • this degassing volume 13 the mixture does not circulate.
  • This degassing volume 13 is arranged to recover gaseous incondensables and in particular CO2.
  • Reactor 1 is also provided with a non-condensable outlet connecting the degassing volume 13 to an evacuation pipe 15 for possible subsequent treatments.
  • This non-condensable output is controlled by a valve 16 to control the pressure in reactor 1.
  • gas flow measurement means 2 such as a flow meter 18, are installed, for example downstream of conduit 15, preferably after a condenser 17, and thus make it possible to measure during the reaction the flow of gas emitted, D e .
  • a setpoint flow rate value D c is chosen as a function of the dryness of the desired dehydrated biomass and this predetermined flow rate value is entered in the installation control means. of gas “D c ” (set flow), then the HTC reaction is implemented, and preferably “ultra-dehydration”, as seen above.
  • a flow rate of gas emitted “D e ” is measured, preferably at regular intervals or continuously.
  • the emitted gas flow measurement is processed by the control and command means with which the value of the emitted gas flow De is compared with that of the target gas flow D c (+/- X%).
  • at least one of the three parameters such as the temperature T° within the reactor 1 is adjusted by controlling the input of heat transfer fluid 12, and/or preferably the quantity of reagent injected into reactor 1 from a reagent reservoir 3 and/or the residence time in reactor HTC 1.
  • This reagent is a catalyst for the HTC reaction, in particular an acid catalyst, chosen from citric acid, formic acid, sulfuric acid, acetic acid.
  • Figure 2 is a graphical representation which highlights the variation in dehydration performance and in the flow of incondensable gases (denoted NC) emitted by the reactor in continuous operation as part of the implementation of a hydrothermal carbonization process in continuous, in which the amount of reagent injection is adjustable while the other parameters are fixed such as a constant reaction time of 2h30, a constant reaction temperature at 185°C, and a single type of sludge treated.
  • NC incondensable gases
  • Figure 3 shows a mathematical relationship between the dryness of the final cake and the final pressure at 75°C of a 3-litre HTC micropilot operating in a tank.
  • the method according to the invention therefore allows an adjustment of at least one functional parameter in real time of a continuous hydrothermal carbonization process and an adjustment of at least one functional parameter from one tank to another for a process of hydrothermal carbonization by tank.
  • the adjustment time of a method according to the invention is therefore optimized.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de carbonisation hydrothermale de biomasse contenant de la matière organique, ledit procédé comprenant : - l'injection de la biomasse, d'un fluide caloporteur et d'un réactif dans un réacteur (1), - la mise en circulation d'un mélange constitué par la biomasse, le fluide caloporteur et le réactif sous des conditions de pression et températures spécifiques permettant la transformation de la matière organique par carbonisation hydrothermale. L'invention consiste en ce que: 1) on détermine le taux de production de gaz émis Te lors de la réaction de carbonisation hydrothermale; 2) on compare ledit taux de production de gaz émis Te déterminé avec une valeur de taux de production de gaz de consigne prédéfinie Tc, et 3) on ajuste au moins l'un des paramètres de pilotage de la réaction choisi parmi la température au sein du réacteur (1), la quantité de réactif injecté, et le temps de résidence dans le réacteur, pour ajuster le taux de production de gaz émis Te, de sorte que la valeur de ce taux de production de gaz émis Te tend à être égale à la valeur du taux de production de gaz de consigne Tc. Application au traitement de la biomasse contenant de la matière organique.

Description

Procédé de carbonisation hydrothermale.
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention concerne un procédé de conditionnement thermique utilisant la réaction thermochimique de carbonisation hydrothermale.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
La carbonisation hydrothermale, réaction bien connue sous l’acronyme HTC (« HydroThermal Carbonisation » en anglais), est une réaction naturelle qui se produit dans les profondeurs de la terre sous pression, à des températures élevées. Elle donne lieu à partir de biomasse à la production de charbon et de gaz. La carbonisation hydrothermale, aussi notée HTC, a été transposée en milieu industriel à travers le conditionnement thermique pour drastiquement améliorer la déshydratation de biomasse telle que des boues de station d’épuration ou des déchets organiques, afin de les transformer en un produit à haute valeur ajoutée.
Le conditionnement thermique, dont le cœur du procédé est la réaction de HTC, est réalisé à une température élevée - entre 175°C et 260°C - et généralement en autoclave sous pression, typiquement de 9 à 50 bar (soit environ de 1 à 5 MPa), durant un temps qui varie typiquement de 5 min à 12h. Selon l’équipement de déshydratation situé en aval du conditionnement thermique, la température et la pression appliquée pour la réaction de HTC, la biomasse libère très facilement son eau par déshydratation mécanique et se transforme en biocharbon. La réaction légèrement exothermique est accélérée par l’ajout d’un catalyseur, par exemple grâce à la présence : soit d’un acide (par exemple de l’acide citrique ou sulfurique ou acétique), soit d’une base (par exemple la soude caustique).
Globalement, la réaction HTC peut se schématiser sous la forme suivante : CnHmOp— > CxHyOz + aH2Û + bCO2,
Cette réaction thermochimique modifie les arrangements macromoléculaires mais également moléculaires, avec pour conséquence de rendre la matière davantage hydrophobe et de concentrer notamment les atomes de carbone et donc le pouvoir calorifique intrinsèque. Cette augmentation significative de l’hydrophobicité de la matière organique permet de déshydrater plus aisément dans une étape subséquente, par exemple de pressage mécanique ou de centrifugation.
Un tel procédé est notamment utilisé pour pousser la déshydratation des boues issues de stations d’épuration à des niveaux de matière sèche très élevés. En effet, lorsque l’étape de conditionnement thermique est couplée avec une étape de post déshydratation, on peut par exemple atteindre des niveaux de teneur en matière sèche de l’ordre de 70%. C’est pourquoi on nomme le couplage de la carbonisation hydrothermale avec une étape de post déshydratation, une « ultra-déshydratation ».
Avant l’application de l’ultra-déshydratation aux boues d’épuration, cette forte siccité ne pouvait être atteinte que par des méthodes de séchage, majoritairement thermiques, ces dernières étant très énergivores malgré les améliorations de ces procédés.
La déshydratation mécanique seule, par pressage, peu énergivore, ne peut, en revanche, pas excéder 35-40% selon la teneur de matière organique présente dans les boues et leur nature sans ce couplage avec la réaction de carbonisation hydrothermale.
La qualité de la déshydratation en aval du conditionnement thermique abritant la réaction de carbonisation hydrothermale, à un tel niveau, est intimement liée aux conditions opératoires appliquées, autrement dit, à la bonne atteinte d’un avancement minimal de la réaction de HTC. La cinétique de cette réaction de HTC dépend du temps de résidence du produit dans le réacteur, du niveau de température et pression et de la quantité de réactif mis en présence, mais également de la nature de la biomasse introduite dans le réacteur. De ces facteurs dépendent aussi la qualité et les propriétés du biocharbon obtenu, notamment après une étape subséquente de post-déshydratation.
Cependant, lorsque les réglages de l’étape de HTC sont consignés, le résultat de la déshydratation - c’est-à-dire notamment la siccité de la boue « ultra-déshydratée », n’est perceptible que plusieurs heures après le passage de la boue dans le réacteur HTC.
Ce n’est donc qu’a posteriori que l’efficacité de la réaction de HTC sera jugée suffisante ou pas, c’est-à-dire après l’étape subséquente de post-déshydratation, par exemple par pressage mécanique du produit dit carbonisé, alors appelé gâteau.
De plus, les boues d’épuration traitées par HTC sont variables en qualité et notamment en siccité dans le temps. Or, le taux de matière sèche mesuré directement en amont du réacteur de carbonisation hydrothermale ne permet pas de présager du taux de matière organique qui en l’occurrence intervient dans la réaction de carbonisation. Cette mesure de quantité de matières volatiles est en générale connue plus de 24 heures après le prélèvement de l’échantillon. En effet il faut placer ledit échantillon dans une étuve à 105°C pendant 24 heures pour en connaître la siccité. Puis ce même échantillon sera passé dans un four à 550°C pendant 2 h pour brûler la fraction organique de la matière sèche.
Actuellement, les solutions mises en œuvre pour suivre l’avancement de la réaction de HTC reposent sur la mesure du pH en sortie du réacteur et préférentiellement après des échangeurs de chaleur subséquents utilisés pour refroidir la boue, soit 2 à 3 heures déjà après l’injection de la boue et des réactifs dans le réacteur de HTC. Or, cette mesure n’est pas suffisante pour présager d’une bonne déshydratation finale. La qualité de la déshydratation est révélée après l’opération de pressage de la matière déshydratée sous forme de gâteau, seule les analyses de ce gâteau pouvant déterminer la performance et de la séquence d’ultradéshydratation (HTC + post-déshydratation). Ce temps entre le moment où la boue entre dans le réacteur et le moment de l’analyse du gâteau déshydraté peut être bien supérieur à 10h. Il dépend aussi fortement du stockage de boue carbonisée sortant du réacteur. De plus, le stockage mélange la boue carbonisée et homogénéise plusieurs heures de production. La mesure du pH n’est donc pas un indicateur suffisamment précis du niveau de déshydratation pouvant être atteint.
Si les performances de déshydratation sont constatées insuffisantes, il est alors possible, entre autres, d’augmenter la quantité de réactif, le temps de résidence dans le réacteur ou encore la température de chauffage du réacteur. Il faut en revanche attendre plusieurs bâchées de déshydratation finale pour quantifier l’effet lié à l’augmentation d’un de ces trois paramètres, notamment en raison des différentes étapes de stockage en aval.
En d’autres termes, les performances de déshydratation et ainsi la siccité du gâteau de matière déshydratée sont donc le résultat d’un réglage datant de près de 24 heures. La réduction, voire l’annulation, de ce temps de latence suite à l’optimisation des paramètres d’opération du réacteur constituerait donc une nette amélioration de la productivité industrielle de cette technologie, pour ainsi obtenir un contrôle en temps réel de ses performances.
Plusieurs techniques ont ainsi été développées pour tenter de résoudre ce problème.
Le document US-A-10308887 a ainsi montré que pendant la carbonisation hydrothermique, la biomasse est convertie en biocharbon. Le rendement de réaction dépend des conditions de réaction, y compris la durée de la réaction de carbonisation ou la période pendant laquelle un lisier composé d’eau et de biomasse reste dans le réservoir de réaction et est exposé à la pression et à la température. Ces conditions devraient être sélectionnées de sorte à obtenir un résidu le plus sec possible. Il a été montré que les changements de la quantité de résidus secs pendant la réaction de carbonisation présentent une courbe qui est similaire, dans une large mesure, à celle de la valeur du pH de la biomasse traitée, pH qui est bien plus aisé à suivre que la détermination du résidu sec pendant la réaction en cours. Toutefois, la mesure du pH de la boue carbonisée reste difficile à réaliser directement dans le réacteur, car il n’existe pas d’instrument pouvant résister aux températures et pressions au sein du réacteur.
L’analyse du pH s’effectue alors le plus souvent en aval du réacteur, après détente à la pression atmosphérique et à des températures bien inférieures à 100°C. La mesure demande un calibrage régulier de la sonde pH. L’indicateur de la valeur de pH de la boue carbonisée est donc une indication indirecte et a posteriori de l’avancement de la réaction au sein du réacteur et dans une phase industrielle de production en continu de boues carbonisées. Un tel réglage ne permet donc pas d’être suffisamment rapide pour anticiper l’effet produit, comme expliqué plus haut.
Dans US2015/0259209, on décrit une réaction de carbonisation hydrothermique visant à obtenir le meilleur rendement possible de certaines substances, en particulier le rendement du carbone le plus élevé possible. La biomasse de types et de qualités très différents est traitée par le procédé, afin que la réaction puisse avoir lieu de façon très différente au sein de chaque lot individuel. Influencer le processus est généralement problématique, parce que le processus se déroule de façon fermée. Pour cette raison, on définit une ligne de dérivation permettant le passage d’eau du procédé dans laquelle on met en place un capteur pour définir le carbone organique total par rapport au carbone dissous. Une adaptation des paramètres de processus peut alors être entreprise manuellement ou au moyen d’un contrôleur de processus, en fonction des résultats de mesure du capteur. On exerce ainsi un contrôle et une régulation plus rapide, mais une installation spécifique doit être mise en œuvre.
Dans DE102016125286, on propose de récupérer les composés gazeux et liquides de la dégradation de la réaction, en les condensant pour pouvoir ensuite les analyser et renvoyer les résultats vers un système de commande permettant de réguler le réacteur en fonction de ces données. Là encore, un délai de plusieurs heures est nécessaire pour effectuer cette analyse. L’autre inconvénient repose sur le volume des composés qui n’est pas identifié dans ce brevet et qui pourtant est indissociable du degré de la réaction.
A ce jour, on ne connaît donc pas de systèmes permettant de réguler en temps réel la réaction HTC dans le réacteur, sans modification significative des installations existantes. Dans une situation de déploiement industriel, les besoins de régulation d’un tel procédé en temps réel sont cependant majeurs. C’est donc dans un souci d’expansion et d’optimisation du procédé que l’invention a été développée.
RESUME DE L’INVENTION
La présente invention a pour but de pallier les inconvénients de l’état de la technique en proposant un procédé permettant de suivre le degré d’avancement de la réaction HTC et de réguler ladite réaction HTC dans le réacteur en temps quasi « réel ».
Ainsi, l’invention concerne un procédé de carbonisation hydrothermale de biomasse contenant de la matière organique, ledit procédé comprenant :
- l’injection de la biomasse, d’un fluide caloporteur et d’un réactif dans un réacteur,
- la mise en circulation d’un mélange constitué par la biomasse, le fluide caloporteur et le réactif sous des conditions de pression et températures spécifiques permettant la transformation de la matière organique par carbonisation hydrothermale, caractérisé en ce que :
1) on détermine le taux de production de gaz émis Te, lors de la réaction de carbonisation hydrothermale ;
2) on compare ledit taux de production de gaz émis Te déterminé avec une valeur de taux de production de gaz de consigne prédéfinie Tc, et
3) on ajuste au moins l’un des paramètres de pilotage de la réaction choisi parmi la température au sein du réacteur, la quantité de réactif injecté, et le temps de résidence dans le réacteur, pour ajuster le taux de production de gaz émis Te, de sorte que la valeur de ce taux de production de gaz émis Te tend à être égale à la valeur du taux de production de gaz de consigne Tc.
Au sens de l’invention, la biomasse comprend de la matière organique. Il peut notamment s’agir de déchets organiques et/ou de boues, notamment de boue de station d’épuration, d’eaux usées industrielles ou municipales.
Dans la suite, on nommera « biomasse entrante » (« boue entrante ») la biomasse entrant dans l’étape ou le réacteur HTC, « biomasse carbonisée » la biomasse issue de l’étape de HTC. Dans le cas où le procédé de l’invention comprend une étape subséquente de déshydratation, on nommera le produit de cette étape « biomasse déshydratée » ou « biomasse ultra-déshydratée ».
Comme on l’a déjà évoqué, la matière organique de la biomasse se transforme alors qu’elle est soumise à des conditions de pression et de température spécifiques dans le réacteur HTC. Cette transformation comprend une hydrolyse puis une décarboxylation et une déshydratation en parallèle de la matière organique avec ses propres constituants.
On a pu remarquer qu’une partie de la matière organique de la biomasse entrante « disparait » de la matière carbonisée - fraction dissoute et solide - mesurée en sortie du réacteur dans les proportions suivantes :
• 35 à 55% de O.
• 3 à 7% de H.
• 1 à 5% de C.
Un bilan massique met en évidence que le carbone et l’hydrogène produisent du CO2 et de l’H2O par une réaction classique d’oxydo-réduction, 70% à 90% de l’O2 disparu étant consommé par cette réaction. Il est toutefois difficile d’établir le bilan précis des éléments C, H et O, car une partie des gaz formés lors de la réaction de HTC reste dissoute dans la fraction liquide, pour être relarguée après détente dans la bâche de stockage de la biomasse carbonisée. Toutefois ces gaz dissous et gazeux sont en équilibre et varient dans le même sens. La vapeur d’eau formée par la réaction de HTC ne peut quant à elle être distinguée de l’eau issue de la vaporisation de l’eau contenue dans la biomasse entrante. Ainsi, le gaz produit par la réaction de HTC se retrouve en partie en sortie du réacteur - partie que l’on peut mesurer - et une partie soluble se retrouvant au niveau de la cuve de stockage de biomasse carbonisée, non mesurable.
Les inventeurs ont cependant démontré qu’il existe une corrélation entre cette part de gaz émis dans le réacteur et le degré d’avancement de la réaction de HTC en cours. Ils ont également établi une corrélation entre le taux de production de gaz émis et plus particulièrement le débit de gaz émis, celui-ci étant mesurable directement par le débit de gaz incondensables mesuré en sortie du réacteur ou indirectement par la différence entre la pression dans le réacteur mesurée en fin et en début de réaction (cette différence de pression résultant de la transformation de la matière, donc de l’avancement de la réaction), donc entre le débit de gaz émis ou la pression dans le réacteur et le taux de siccité de la biomasse déshydratée.
A partir de mesures expérimentales, les inventeurs ont en effet pu établir dans un procédé par bâchées une relation mathématique entre la pression finale dans le réacteur de gaz incondensables et la siccité :
Ln P = f (Ln(TS/(0,0001-TS)) avec f(x) = -03226*x + 10,8734 avec:
P: représentant la pression finale à 75°C dans le réacteur de carbonisation hydrothermale (en Pa), qui correspond à la production de gaz par la réaction de HTC, et
TS: siccité finale du gâteau en g/L
Ainsi, dans un procédé réalisé en bâchée, la quantité de gaz émis augmente avec le degré d’avancement de la réaction qui induit une pression plus élevée. Une variation de la pression révèle ainsi une variation de l’avancement et/ou de la performance de la réaction, sur laquelle on peut agir en ajustant un ou des paramètres réactionnels, tels que la quantité de réactif injecté par exemple.
Ainsi dans un procédé réalisé en continu, la quantité de gaz émis augmente avec le degré d’avancement de la réaction, à pression constante, et induit un débit de gaz plus grand. De ce fait, une variation du débit de gaz émis révèle ainsi une variation de l’avancement et/ou de la performance de la réaction, sur laquelle on peut agir en ajustant un ou des paramètres réactionnels, tels que la quantité de réactif injecté par exemple. On peut aussi ajuster la température au sein du réacteur en contrôlant la température du fluide caloporteur et/ou en ajustant le temps de résidence dans le réacteur en contrôlant le débit de biomasse entrante.
Ainsi, l’indicateur de l’avancement de la réaction est bien le taux de production de gaz émis, plus particulièrement des gaz dits incondensables, directement lié par réaction chimique aux conditions stoechiométriques.
Dans le cas d’un procédé HTC réalisé en bâchée, le taux de production de gaz émis Te est déterminé à partir de la mesure de la pression régnant au sein du réacteur lors d’une bâchée, plus précisément en fin de bâchée et plus précisément, à la fin du cycle de carbonisation et de refroidissement à une température cible fixée. En effet, le dispositif utilisé étant totalement étanche, la mise en évidence de la production de gaz de réaction, donc de gaz émis, est révélée par la pression finale dans le réacteur. La quantité initiale de produit introduit est constante et la pression initiale égale à l’air ambiant. Toute pression supérieure après la réaction est par conséquent le résultat d’un gaz résidant dans le réacteur, et dont la pression de saturation est bien inférieure à celle de l’eau. Plus précisément, la pression partielle de l’eau étant constante et connue à une température donnée, la connaissance de la température et de la pression dans le réacteur en fin de bâchée permet de calculer précisément la surpression liée à la production de gaz incondensables par la réaction de HTC. La pression ou la surpression des gaz incondensables présents dans le réacteur en fin de bâchée est ainsi directement liée au taux de production de gaz émis Te. Selon un mode de réalisation avantageux, on mesurera la pression dans le réacteur en fin de bâchée et après un refroidissement à une température prédéterminée, par exemple à 75°C ou à 70°C.
De manière très avantageuse, la mesure du débit de gaz émis ou la mesure de la pression régnant dans le réacteur lors de la réaction de HTC du réacteur se révèle être un indicateur suffisant pour connaitre le degré d’avancement de la réaction de carbonisation dans le réacteur. Ainsi, pour un procédé en continu, on pourra modifier les paramètres de température dans le réacteur (via une modification de la température de la vapeur ou du fluide caloporteur), de la quantité de réactif injecté (dans le réacteur ou en amont de celui-ci), et/ou de temps de résidence de la biomasse dans le réacteur, notamment par modification du débit de biomasse entrante, pour permettre ainsi soit d’améliorer la déshydratation, soit d’optimiser la consommation de réactif. Pour un procédé par bâchée, on pourra adapter ces mêmes paramètres réactionnels pour la bâchée suivante.
Dans le cas d’un procédé HTC réalisé en continu, le taux de production de gaz émis Te est déterminé en mesurant le débit des gaz non condensables émis en sortie du réacteur (directement en sortie du réacteur). Ainsi, plus précisément, le taux de production de gaz émis Te est calculé à partir du débit de gaz non condensables émis en sortie du réacteur.
Le procédé selon l’invention, lorsqu’il est réalisé en continu, permet donc avantageusement de réaliser un réglage de la température de réaction et/ou de la quantité de réactif injectée et/ ou du temps de résidence dans le réacteur en temps réel en mesurant le débit de gaz émis en sortie du réacteur et en le comparant à la valeur de débit de gaz de consigne, et ce tout au long de la réaction HTC, de manière simple à mettre en œuvre, la mesure se faisant en sortie du réacteur et non à l’intérieur.
La mesure du débit de gaz émis lors de la réaction est de préférence effectuée en sortie de réacteur. Le débit de gaz émis est de préférence mesuré à l’aide d’un débitmètre lorsque l’étape de HTC est en continu. De préférence, la mesure du débit de gaz émis en sortie du réacteur est alors effectuée après le passage des gaz émis dans des moyens de condensation ou déshydratation de gaz, tels qu’un condenseur, notamment de type « scrubber ». Ainsi, il est possible de condenser la vapeur d’eau, et on mesure essentiellement les gaz émis appelés « incondensables », afin d’augmenter la précision de la mesure. On pourra également utiliser un filtre déshydratant adsorbant de l’eau, tel qu’un filtre à zéolite, pour obtenir le même effet, à savoir retenir la vapeur d’eau pour ne laisser passer que la fraction incondensable des gaz émis.
Le procédé selon l’invention, lorsqu’il est réalisé en bâchée, permet avantageusement de réaliser un réglage de la température de réaction et/ou de la quantité de réactif injectée et/ ou du temps de résidence en mesurant la pression au sein du réacteur et en la comparant à la pression de consigne, pour la bâchée suivante. Ainsi, pour atteindre la pression de consigne dans la bâchée suivante, on peut ajuster le temps de résidence dans le réacteur en contrôlant le temps de réaction pour le procédé en bâchée, et/ou ajuster la température au sein du réacteur par le refroidissement du réacteur étanche par un échange avec un fluide caloporteur au travers de la paroi du réacteur ou d’un serpentin.
Le fluide caloporteur est typiquement de l’eau, notamment de l’eau sous forme de vapeur.
Le réactif est typiquement un catalyseur permettant d’initier la réaction de HTC, qui peut ensuite s’auto-entretenir. Des exemples de catalyseurs sont notamment des acides ou des bases organiques ou minéraux. Les catalyseurs acides sont de préférence choisis parmi l’acide sulfurique et les acides carboxyliques linéaires ou ramifiés en Ci-Ce, et notamment parmi les acides mono-, di- et di-ou tricarboxylique linéaires ou ramifiés en Ci-Ce, tels que l’acide formique, l’acide acétique et l’acide citrique.
La réaction de carbonisation hydrothermale est bien connue de l’homme du métier, qui saura sélectionner les plages de fonctionnement des paramètres réactionnels tels que la température, la pression, et le temps de résidence. De préférence, l’étape de HTC est réalisée à une température élevée - entre 150°C et 300°C, préférentiellement entre 175°C et 260 °C - et généralement sous pression, typiquement de 10 à 50 bar (soit environ de 1 à 5 MPa), durant un temps qui varie typiquement de 5 min à 12h, de préférence compris entre 1 h et 3h.
De manière avantageuse, le procédé de carbonisation hydrothermale selon l’invention implique la mise en œuvre de différentes étapes complémentaires. En particulier, on réalise de préférence une étape préalable dans laquelle on choisit une valeur de débit de gaz de consigne Dc ou de pression de consigne Pc, en fonction de la siccité souhaitée pour le produit final. Par exemple, à l’aide de tables de corrélation ayant été établies entre débit de gaz, en particulier de CC^/pression et siccité.
Ou encore, lors de la mise en service d’une installation pour la mise en œuvre d’une réaction HTC, on pourra réaliser des essais pour obtenir un taux de siccité cible (par exemple 65%) en fixant un ou plusieurs paramètres, par exemple la température et le temps de résidence (entre autres le débit), et on mesure alors dans ce cas le débit de gaz émis qui devient le débit de gaz de consigne Dc. Cela revient à effectuer un étalonnage à température et temps de résidence constant, le paramètre variable étant la quantité de réactifs. Dans la suite des opérations, si le débit de gaz émis mesuré De dévie de la valeur consigne Dc, on pourra ajuster le dosage de réactifs pour se rapprocher de celle-ci jusqu’à y revenir. L’ajustement de la quantité de réactif sera avantageusement effectué par augmentation et/ou diminution successives, notamment pour éviter l’emballement de la réaction.
La valeur prédéterminée du débit de gaz « Dc » (débit de gaz de consigne) peut être entrée dans des moyens de contrôle et de commande de l’installation de mise en œuvre du procédé de carbonisation hydrothermale. Pendant la réaction de HTC, avantageusement suivie d’une étape de post-déshydratation, on mesure le débit de gaz émis « De » en sortie du réacteur de HTC, de préférence à intervalles réguliers ou en continu, et on compare la valeur de débit de gaz émis De mesurée avec celle du débit de gaz de consigne Dc (+/- X%). Si le débit de gaz émis De est différent du débit de gaz de consigne Dc, on réglera au moins l’un des trois paramètres :
• la quantité de réactif injecté (notamment un catalyseur de la réaction HTC, de préférence un catalyseur acide tel que l’acide citrique),
• la température T au sein du réacteur , et/ou
• le temps de résidence dans le réacteur HTC, de manière à ajuster cette valeur de débit de gaz émis De pour qu’elle soit égale à la valeur du débit de gaz de consigne Dc ou au moins se rapproche de ladite valeur de Dc. Si à la mesure suivante du débit de gaz émis la nouvelle valeur De n’est toujours pas égale à la valeur de Dc, on modifie à nouveau l’un des paramètres de la réaction et ainsi de suite (boucle de rétroaction).
Dans l’ordre, on préférera régler la quantité de réactif injecté, la température T au sein du réacteur, et enfin le temps de résidence.
L’ajustement peut être effectué de façon manuelle ou automatisée.
La quantité de réactif injectée est donc augmentée et/ou diminuée en fonction du débit mesuré.
Le temps de résidence pourra être modifié par modification correspondante du débit de biomasse entrante, et/ou par modification de la vitesse de circulation de la biomasse dans le réacteur. De préférence, on modifiera le temps de résidence par modification du débit de biomasse entrante.
La température au sein du réacteur pourra être modifiée par modification de la température du fluide caloporteur, et/ou de la biomasse entrante. De préférence, on modifiera la température du fluide caloporteur.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de carbonisation hydrothermale comprend en outre une étape d’extraction d’au moins une partie du mélange contenu dans le réacteur. Dans le cas d’un procédé continu, l’extraction est effectuée en continu.
La présente invention a également pour objet un procédé de déshydratation de biomasse comprenant :
- le procédé de carbonisation hydrothermale de biomasse de l’invention, conduisant à de la boue carbonisée, et
- une étape de déshydratation mécanique de la boue carbonisée, conduisant à une boue déshydratée.
L’étape de déshydratation mécanique pourra comprendre ou consister en une étape de pressage, notamment par presse à piston ou filtre presse. Cette étape peut aussi comprendre ou consister en une centrifugation.
La boue déshydratée obtenue aura avantageusement une siccité comprise entre 40% et 70% de préférence entre 60% et 70%.
La présente invention a également pour objet une installation de carbonisation hydrothermale de biomasse contenant de la matière organique, ladite installation comprenant :
- un réacteur, des moyens d’entrée de la biomasse dans le réacteur, des moyens d’injection dans le réacteur d’un fluide caloporteur et des moyens d’injection d’un réactif dans le réacteur, des moyens de mise en circulation d’un mélange constitué par la biomasse, le fluide caloporteur et le réactif sous des conditions de pression et températures spécifiques permettant la transformation de la matière organique par une réaction de carbonisation hydrothermale, des moyens de sortie du gaz émis dans le réacteur, caractérisée en ce que
- elle comporte des moyens de détermination du taux de production de gaz émis, lors de la carbonisation hydrothermale ;
- des moyens de comparaison dudit taux de production de gaz émis Te déterminé avec une valeur de taux de production de gaz de consigne Tc, et
- des moyens de contrôle et de commande de l’installation permettant d’ajuster au moins l’un des paramètres de pilotage de la réaction que sont la température au sein du réacteur, la quantité de réactif injecté, et le temps de résidence dans le réacteur, pour ajuster le taux de production de gaz émis Te, de sorte que la valeur de ce taux de production de gaz émis Te tende à être égale à la valeur du taux de production de gaz de consigne Tc.
Dans une installation de carbonisation hydrothermale adaptée pour un fonctionnement du procédé en continu, les moyens de détermination du taux de production de gaz émis comprennent des moyens de mesure du débit de gaz émis en sortie du réacteur. Ces moyens de mesure comprennent de préférence un débitmètre monté dans le conduit de sortie des gaz.
De manière préférée, des moyens de condensation ou de déshydratation sont prévus en amont des moyens de mesure du débit de gaz émis, tel qu’un condenseur notamment de type « scrubber ». On pourra également utiliser un filtre déshydratant adsorbant de l’eau, tel qu’un filtre à zéolite.
Dans une installation de carbonisation hydrothermale adaptée pour un fonctionnement en bâchée, les moyens de détermination du taux de production de gaz émis comprennent des moyens de mesure de la pression régnant dans le réacteur en fin de cycle.
De préférence, afin de réguler la température dans le réacteur, l’installation comporte un moyen de refroidissement par contact indirect avec le fluide dans le réacteur pour un procédé par bâchée.
Avantageusement, l’installation comprend en aval du réacteur HTC une presse, ladite presse comprenant au moins une entrée de biomasse, une sortie de biomasse, ladite entrée de biomasse de la presse étant en connexion de fluide avec la sortie de boue carbonisée du réacteur HTC.
FIGURES D’autres avantages et particularités de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des figures suivantes dans lesquelles :
- la figure 1 est une vue schématique d’un mode de réalisation d’une installation de carbonisation hydrothermale en continu de biomasse selon l’invention.
- la figure 2 est une représentation graphique qui met en évidence la variation des performances de déshydratation et du débit de gaz de réaction et de quantité de réactif pour une installation permettant la mise en œuvre d’un procédé réalisé en continu ;
- la figure 3 est une représentation graphique d’une relation mathématique entre la siccité du gâteau final et la pression finale à 75°C d’un réacteur HTC mettant en œuvre un procédé de carbonisation en bâchée.
DESCRIPTION DETAILLEE
Le dispositif représenté à la figure 1 comprend un réacteur 1 agencé pour mettre en œuvre une réaction hydrothermale. La suite de la description s’attachera à décrire des modes de réalisation avec de la boue, mais pourrait être mis en œuvre avec d’autres types de biomasse, tels que des déchets organiques.
Cette réaction hydrothermale comprend les étapes suivantes : une étape d’injection de boues dans laquelle on injecte les boues dans le réacteur 1 par une première entrée 11 , une étape d’injection de vapeur en tant que fluide caloporteur dans laquelle on injecte de la vapeur dans le réacteur 1 par une deuxième entrée 12, la deuxième entrée 12 étant de préférence distincte de la première entrée 11 , une étape de mise en circulation dans laquelle on met un mélange constitué par les boues et la vapeur injectées dans le réacteur 1 en circulation au sein du réacteur 1 , une étape d’extraction en continu d’au moins une partie du mélange contenu dans le réacteur 1 par une sortie de boues 14.
Les boues, contenant de la matière organique, proviennent par exemple d’une trémie 2 pour être acheminées dans un conduit (entrée 11 du dispositif), par exemple par gravité. Les boues arrivant dans le conduit ont typiquement une siccité en poids de matière sèche comprise entre 10 à 30%, typiquement comprise entre 18 et 24%.
L’espace intérieur du réacteur 1 est en outre configuré pour former un volume de dégazage 13 dans une partie supérieure de cet espace intérieur (c’est-à-dire une partie d’altitude plus élevée que d’autres parties de cet espace intérieur). Dans ce volume de dégazage 13, le mélange ne circule pas. Ce volume de dégazage 13 est agencé pour récupérer des incondensables gazeux et notamment le CO2.
Le réacteur 1 est aussi pourvu d’une sortie des incondensables reliant le volume de dégazage 13 à un conduit d’évacuation 15 pour des traitements éventuels ultérieurs. Cette sortie des incondensables est pilotée par une vanne 16 pour contrôler la pression dans le réacteur 1.
Au niveau de ce volume de dégazage ou du conduit 15, des moyens de mesure du débit gazeux 2 tel qu’un débitmètre 18, sont installés, par exemple en aval de la conduite 15, préférentiellement après un condenseur 17, et permettent ainsi de mesurer en cours de réaction le débit de gaz émis, De.
Lors de la mise en œuvre du procédé selon l’invention, on procède selon les étapes suivantes :
Au cours d’une étape préalable, dite étape 0, on choisit une valeur de débit de consigne Dc en fonction de la siccité de la biomasse déshydratée souhaitée et on saisit dans des moyens de contrôle de l’installation, cette valeur prédéterminée du débit de gaz « Dc » (débit de consigne), puis on met en œuvre la réaction HTC, et de préférence une « ultradéshydratation », comme on l’a vu ci-dessus.
Au cours de la réaction hydrothermale, on mesure un débit de gaz émis « De », de préférence à intervalles réguliers ou en continu. La mesure de débit de gaz émis est traitée par les moyens de contrôle et de commande avec lesquels on compare la valeur du débit de gaz émis De, avec celle du débit de gaz de consigne Dc (+/- X%). En fonction de la différence relevée entre les valeurs de débit de gaz émis De et débit de gaz de consigne Dc, on ajuste au moins un des trois paramètres tels que la température T° au sein du réacteur 1 en contrôlant l’entrée de fluide caloporteur 12, et/ou préférentiellement la quantité de réactif injecté dans le réacteur 1 depuis un réservoir de réactif 3 et/ou le temps de résidence dans le réacteur HTC 1.
La régulation d’au moins l’un de ces paramètres permet ainsi de modifier cette valeur de De pour qu’elle soit égale à Dc ou au moins se rapproche de Dc. Cette étape de régulation est réitérée tout au long de la réaction hydrothermale (boucle de rétroaction), les mesures ultérieures permettant de contrôler que le débit de gaz émis De correspond au débit de gaz de consigne Dc ou à régler les paramètres de pilotage jusqu’à ce que ces deux débits de gaz émis De et de consigne Dc correspondent.
Comme on a pu le constater, la stabilité de la qualité des boues entrant dans l’installation a permis de voir clairement un lien entre performance de déshydratation et quantité de réactif injecté. Ce réactif est un catalyseur de la réaction HTC, notamment un catalyseur acide, choisi parmi l’acide citrique, l’acide formique, l’acide sulfurique, l’acide acétique.
La figure 2 est une représentation graphique qui met en évidence la variation des performances de déshydratation et du débit de gaz incondensables (noté NC) émis par le réacteur en fonctionnement continu dans le cadre de la mise en œuvre d’un procédé de carbonisation hydrothermale en continu, dans laquelle la quantité d’injection du réactif est réglable tandis que les autres paramètres sont fixes tel qu’un temps de réaction constant de 2h30, une température de réaction constante à 185°C, et un seul type de boue traité.
Dans la figure 3, est représentée une relation mathématique entre la siccité du gâteau final et la pression finale à 75°C d’un micro pilote HTC de 3 litres opérant en bâchée.
Le micro pilote HTC étant totalement étanche, la mise en évidence de la production de gaz de réaction, est révélée par la pression finale dans le réacteur. Le protocole des essais étant figé, la quantité initiale de produit est constante et la pression initiale égale à la pression ambiante. Toute pression supérieure, après la réaction est le résultat d’un gaz résident dans le réacteur et dont la pression de saturation est bien supérieure à celle de l’eau.
La relation qui en découle peut se représenter sous la forme suivante : Ln (1/P) = f (Ln ((100-TS)/TS)) avec f(x) = -0.3226*x + 1.6631 avec:
P représentant la pression finale à 75°C dans le réacteur de carbonisation hydrothermale (en bar), qui correspond à la production de gaz par la réaction de HTC, et
TS représentant la siccité finale du gâteau en % de Solides Totaux (exprimé en %).
Cette formule est équivalente à la suivante : Ln P = f (Ln(TS/(0,0001-TS)) avec f(x) = -03226*x + 10,8734 avec:
P: représentant la pression finale à 75°C dans le réacteur de carbonisation hydrothermale (en Pa), qui correspond à la production de gaz par la réaction de HTC, et
TS: siccité finale du gâteau en g/L
Le procédé selon l’invention permet donc un ajustement d’au moins un paramètre fonctionnel en temps réel d’un procédé de carbonisation hydrothermale en continu et un ajustement d’au moins un paramètre fonctionnel d’une bâchée à une autre pour un procédé de carbonisation hydrothermale par bâchée. Le temps de réglage d’un procédé selon l’invention est donc optimisé.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de carbonisation hydrothermale de biomasse contenant de la matière organique, ledit procédé comprenant :
- l’injection de la biomasse, d’un fluide caloporteur et d’un réactif dans un réacteur (1),
- la mise en circulation d’un mélange constitué par la biomasse, le fluide caloporteur et le réactif sous des conditions de pression et températures spécifiques permettant la transformation de la matière organique par carbonisation hydrothermale, caractérisé en ce que :
1) on détermine le taux de production de gaz émis Te lors de la réaction de carbonisation hydrothermale ;
2) on compare ledit taux de production de gaz émis Te déterminé avec une valeur de taux de production de gaz de consigne prédéfinie Tc, et
3) on ajuste au moins l’un des paramètres de pilotage de la réaction choisi parmi la température au sein du réacteur (1), la quantité de réactif injecté, et le temps de résidence dans le réacteur (1), pour ajuster le taux de production de gaz émis Te, de sorte que la valeur de ce taux de production de gaz émis Te tend à être égale à la valeur du taux de production de gaz de consigne Tc.
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, le procédé est réalisé en continu, et le taux de production de gaz émis Te est déterminé en mesurant le débit de gaz non condensables émis en sortie du réacteur (1).
[Revendication 3] Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, lors d’une étape préalable à la mise en œuvre de la réaction de carbonisation hydrothermale ou lors de la mise en service du procédé HTC, on prédéfinit la valeur de débit de gaz de consigne (Dc) en fonction de la siccité souhaitée pour le produit final.
[Revendication 4] Procédé selon l’une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la mesure du débit du gaz émis non condensables en sortie du réacteur (1) est effectuée après le passage du gaz émis dans des moyens de condensation ou déshydratation.
[Revendication 5] Procédé selon l’une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que
- on ajuste la température au sein du réacteur (1) en contrôlant la température du fluide caloporteur, et/ou
- on ajuste le temps de résidence dans le réacteur (1) en contrôlant le débit de biomasse entrante.
[Revendication 6] Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en en ce que le procédé est réalisé en bâchée, et le taux de production de gaz émis est déterminé en mesurant la pression régnant au sein du réacteur (1) à la fin du cycle de carbonisation et de refroidissement à une température cible fixée.
[Revendication 7] Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu’on ajuste le temps de résidence dans le réacteur (1) en contrôlant le temps de réaction.
[Revendication 8] Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu’on ajuste la température au sein du réacteur (1) par le refroidissement du réacteur (1) étanche par un échange avec un fluide caloporteur au travers la paroi du réacteur (1) ou d’un serpentin.
[Revendication 9] Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la quantité de réactif injectée est régulée, à savoir augmentée et/ou diminuée, en fonction du taux de production de gaz émis déterminé.
[Revendication 10] Procédé de déshydratation de biomasse comprenant un procédé de carbonisation hydrothermale de biomasse selon l’une des revendications 1 à 9, conduisant à de la boue carbonisée, et une étape de déshydratation mécanique de la boue carbonisée.
[Revendication 11] Installation de carbonisation hydrothermale de biomasse contenant de la matière organique, comprenant un réacteur (1), des moyens d’entrée (11) de la biomasse dans le réacteur (1), des moyens d’injection (12) dans le réacteur d’un fluide caloporteur et des moyens d’injection d’un réactif dans le réacteur (1), des moyens de mise en circulation d’un mélange constitué par la biomasse, le fluide caloporteur et le réactif sous des conditions de pression et températures spécifiques permettant la transformation de la matière organique, caractérisé en ce qu’elle comporte des moyens de détermination du taux de production du gaz émis Te; des moyens de comparaison dudit taux de gaz émis Te déterminé avec un taux de production de gaz de consigne Tc, et des moyens de contrôle et de commande de l’installation permettant d’ajuster au moins l’un des paramètres de pilotage de la réaction que sont la température au sein du réacteur (1), la quantité de réactif injecté, et le temps de résidence dans le réacteur (1), pour ajuster le taux de production de gaz émis Te, de sorte que la valeur de ce taux de production de gaz émis tend à être égale à la valeur du taux de production de gaz de consigne.
[Revendication 12] Installation selon la revendication 11 , caractérisée en ce qu’elle est adaptée pour un fonctionnement de procédé en continu, ladite installation comprenant des moyens de sortie de gaz émis dans le réacteur (1) et les moyens de détermination du taux de production de gaz émis comprennent des moyens de mesure du débit de gaz émis Detel qu’un débitmètre en sortie du réacteur (1). 17
[Revendication 13] Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que des moyens de condensation ou de déshydratation sont prévus en amont des moyens de mesure du débit de gaz émis De en procédé continu.
[Revendication 14] Installation selon la revendication 11 , caractérisée en ce qu’elle est adaptée pour un fonctionnement de procédé par bâchée, les moyens de mesure du taux de production de gaz émis Te comprennent de moyens de mesure de la pression dans le réacteur en fin de cycle.
[Revendication 15] Installation selon la revendication 11 , caractérisée en ce qu’elle comporte un moyen de refroidissement par contact indirect avec le fluide caloporteur dans le réacteur pour un procédé par bâchée.
[Revendication 16] Installation selon l’une des revendications 11 à 14, caractérisée en ce que l’installation comprend une presse en aval du réacteur (1), ladite presse comprenant au moins une entrée de biomasse, une sortie de biomasse, ladite entrée de biomasse de la presse étant en connexion de fluide avec la sortie de boue carbonisée du réacteur (1).
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