EP4444827A1 - Procédé d'extrusion de granulés de bois, extrudeuse bi-vis corotative pour l'extrusion de granulés de bois, et granulés de bois correspondants - Google Patents

Procédé d'extrusion de granulés de bois, extrudeuse bi-vis corotative pour l'extrusion de granulés de bois, et granulés de bois correspondants

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EP4444827A1
EP4444827A1 EP22847536.4A EP22847536A EP4444827A1 EP 4444827 A1 EP4444827 A1 EP 4444827A1 EP 22847536 A EP22847536 A EP 22847536A EP 4444827 A1 EP4444827 A1 EP 4444827A1
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EP
European Patent Office
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wood
screw
extruder
pieces
elements
Prior art date
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Pending
Application number
EP22847536.4A
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German (de)
English (en)
Inventor
Frédéric BECQUART
Christian CARROT
Mohammed Abdelfetah GHRIGA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
Universite Jean Monnet
Universite Claude Bernard Lyon 1
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
Universite Jean Monnet
Universite Claude Bernard Lyon 1
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut National des Sciences Appliquees de Lyon, Universite Jean Monnet, Universite Claude Bernard Lyon 1 filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • C10L2290/50—Screws or pistons for moving along solids

Definitions

  • Wood pellet extrusion process co-rotating twin-screw extruder for wood pellet extrusion, and related wood pellets
  • the present invention relates to the field of the extrusion of wood pellets, in particular with a twin-screw extruder.
  • Wood in the form of pellets is therefore recoverable as a source of energy by burning it, thanks in particular to a boiler that is a source of combustion performance and of lower environmental impact with gaseous and particulate emissions, harmful to the environment, minimized.
  • the heat produced by combustion can either be used to produce heat to heat, for example individual or collective housing, or produce another type of energy such as electricity or mechanical work.
  • the pellet manufacturing process available on the market consists of a circular press which forces by rollers, two in general, wood in the form of sawdust already strongly dried upstream (residual humidity rate, generally lower than 12% of the total mass), through multiple dies (holes) arranged radially in the circular metal casing of the press on which the rollers roll.
  • the holes can be purely cylindrical or conical or mixed.
  • the investment costs and the industrial infrastructure to achieve the pellet by drying, conveying, storing in waiting, the sawdust previously prepared for its final transformation, are very high.
  • the infrastructures of a production site are very substantial in size. Associated with the large volumes processed in a production unit, the dimensions of the installations generate significant energy losses during the drying and conveying stages. Storage volumes of up to several hundred m 3 require proportionate land requirements. The size of a complete production unit requires investments exceeding ten million euros. Only the largest sawmills, producing sawdust and currently the only ones concerned by its transformation, are capable of investing and therefore of producing.
  • Wood is in itself a heterogeneous material at all scales, molecular to macroscopic, and anisotropic. It consists of three main components: cellulose, hemicellulose and lignin with orientation effects of the cellulose fibers which constitute it and make it anisotropic. This anisotropy, due to the fact that the wood is fibrous, generates form factors and an anisometry of the wood particles obtained during a sawing or grinding step. Whether in the form of fine or coarse sawdust or in the form of chips, the wood comes with elongated geometries, in the direction of the fibers, or flattened.
  • the anisotropy of the wood is therefore naturally present but, in addition, the current production processes of wood pellets undergo this anisotropy responsible for a form factor of the incoming material which has never been able to be removed to date by an action. swallows to the final transformation into pellet.
  • a process for extruding wood pellets comprising at least the steps of:
  • step (b) crushing and partial drying, in a twin-screw extruder comprising at least shear-generating elements, pieces of wood to obtain wood particles having a reduced water content compared to the pieces of wood, this is ie the pieces of wood from step (a) entering the extruder;
  • a process for extruding wood pellets is proposed, the process being characterized in that it comprises at least the steps of:
  • step (b) grinding and drying, in a twin-screw extruder comprising at least elements mixers and elements with reverse screw pitch, pieces of wood to obtain wood particles having a reduced water content compared to the pieces of wood, that is to say the pieces of wood of step ( a) entering the extruder;
  • Steps (a), (b) and (c) are preferably successive one after the other.
  • Step (a) of supplying pieces of wood only includes the supply of pieces of wood as is without the addition of an additive such as a fluid.
  • the shearing elements include mixing elements, and the grinding of step (b) is carried out by applying a shearing force to the pieces of wood, thanks to the mixing elements of the extruder.
  • the shear-generating elements comprise at least one element with a reverse screw pitch, and the pieces of wood are concomitantly moved in an axial direction, relative to the axis of the screws of the extruder, but retained by the element or elements ( s) with reverse thread.
  • step (b) the partial drying is carried out using heat generated by grinding up to a temperature of at least 100°C.
  • Step (b) comprises at least one phase of evacuation of water extracted from the wood fibers, outside the extruder.
  • Step (c) of compression is carried out by applying a radial compression force, relative to the axis of the screws of the extruder, so as to push the wood particles in a substantially radial direction, relative to the axis of the screws of the extruder, in the at least one die to form at least one extruded rod and to obtain, after cutting, said wood pellets.
  • the method comprises a step (d) of final drying of the wood pellets at the outlet of the die, in particular down to a humidity level of less than 12%, which makes it possible in particular to comply with the standards qualifying a wood pellet for energy.
  • Step (d) is set to obtain wood pellets with a moisture content between 7% and 10%.
  • Steps (b), (c) and (d) are set to obtain wood pellets with a moisture content of less than 12% and a density of at least 0.7.
  • Steps (b), (c) and (d) are parameterized to obtain wood pellets having a moisture content of less than 12% and a density of at least 0.8.
  • the pieces of wood provided in step (a) have a natural moisture content of more than 40%, preferably around 55%, and the wood particles obtained at the output of step (b) have a humidity level below 40%, preferably between 30% and 35%.
  • the wood particles obtained at the output of step (b) have an ovoid, or even substantially spherical, shape.
  • Steps (a) and (b) are repeated several times with the same pieces of wood and particles, before proceeding to step (c).
  • step (a) pieces of wood from softwoods, or pieces of wood from hardwoods, or pieces of wood from a mixture of softwoods and hardwoods are provided.
  • a twin-screw extruder suitable for implementing the process for extruding wood pellets according to the first aspect is proposed.
  • twin-screw extruder preferably co-rotating, provided for the extrusion of wood pellets comprising: two profiles of identical screws, interpenetrating, and mounted in rotation (preferably in co-rotation) in a bore of a sheath , wherein each screw profile comprises a shaft on which are mounted shear generating elements for crushing and drying pieces of wood in order to obtain wood particles having a reduced water content compared to the pieces of wood, and at least one side die (40) forming a side outlet with respect to an axis of the screws of the extruder.
  • Each screw profile comprises compression means mounted on the shaft, for radial compression, relative to an axis of the screws of the extruder, of the wood particles in the direction of the at least one side die.
  • the compression means comprise direct-pitch screw elements and mixing elements placed at the end of the screw profile, the direct-pitch screw elements being arranged to push the wood particles onto the mixing elements.
  • the sheath has no wood outlet in a direction parallel to the axes of the extruder screws.
  • the shear generating elements include kneading elements (20).
  • the shear generating elements include at least one reverse thread element (30).
  • the at least one reverse thread element (30) is placed directly at the outlet of the mixing elements (20).
  • Each screw profile comprises at least one direct screw pitch element directly placed at the outlet of the mixer elements (20) and just before the at least one reverse screw pitch element (30).
  • a wood pellet which can be obtained according to the wood pellet extrusion process according to the first aspect.
  • the granulate has a moisture content of less than 12% after final drying and a density of at least 0.7 and preferably greater than 0.8.
  • the wood pellet has a moisture content of between 7% and 10%.
  • the wood pellet is not disintegrable in water.
  • the wood pellet is formed solely of wood and in particular does not include any additive.
  • Figure 1 shows an example of a screw profile portion of a twin-screw extruder for implementing the proposed wood pellet extrusion process.
  • Figure 2 shows an example of a mixer element of a twin-screw extruder for implementing the proposed wood pellet extrusion process.
  • Figure 3 schematically represents the steps of an embodiment of the proposed wood pellet extrusion process.
  • Figure 4 shows an example of an arrangement of lateral dies at the outlet of a twin-screw extruder for the implementation of the proposed wood pellet extrusion process.
  • the invention provides a process for extruding wood pellets. Typically this process can be implemented with a co-rotating twin-screw extruder.
  • a twin-screw extruder preferably co-rotating, suitable for implementing the proposed wood pellet extrusion process. It is a continuous process. It should be noted that it is possible in practice to use a succession of twin-screw extruders, so that the present method will not be limited to a single twin-screw extruder.
  • a co-rotating twin-screw extruder is a transformation machine made up of two identical, interpenetrating screw profiles, rotating in the same direction in the bore of a barrel.
  • the screws are driven by a motor block and both rotate at the same speed.
  • One or more feeding zones can be set up. In general, a feed zone is chosen at the start of the screw profile if necessary with lateral or secondary feeders.
  • At the outlet at least one die ensures the conformation of the material in the form of a rod whose section can take any shape.
  • the die can be cylindrical or conical or a combination of cylindrical and conical sections in the case of a round section. Any other section is possible according to the same principle.
  • screw profile we mean all the assembled elements, direct, reverse and kneading screw elements, on each shaft of the twin-screw extruder, as explained later.
  • a screw profile of an extruder can be assembled to order by combining three main types of usual elements for this process which can have their own roles or be associated in synergy. They all have the same outer diameter but can be of varying lengths and assemble on screw shafts which can be splined or sections preventing their free rotation on the shafts, for example a hexagonal section, or another system preventing rotation such as a key system.
  • all the elements chosen, whatever their type, whatever their number and length, must have an assembled length equal to the length of the screw shafts supporting them when operating in a conventional configuration.
  • the assembly without play between the elements is usually maintained by tightening screws at the end of the shaft.
  • These screw profiles can end in a point-shaped outer shape. The chosen assembly order of the screw elements will make it possible to generate zones with specific functionalities to carry out precise tasks in each specific zone elaborated.
  • the sheath that surrounds the screw profiles provides overall sealing and resists pressure if it is completely closed, but also allows heat exchange by being heated or, conversely, cooled with an integrated regulated cooling system by circulation of a liquid or gaseous fluid. Heating or cooling is not constant across the entire profile. It can be adjusted in differentiated zones all along the barrel where each barrel section/element will have its own heating and cooling system
  • the material leaving the extruder and its barrel / screw system will be shaped by means of a die.
  • the die is fixed on the last element of the sleeve with an intermediate convergent, all in the axis of the profile of the screws.
  • This channel can have a single outlet or combine several.
  • the direct-pitch screw elements (10; 11) allow material to be conveyed in the direction of flow. These screw elements are characterized by their pitch (distance traveled per revolution) and the number of channels separated by threads, from 1 to 3 channels, generally 2. rotation and during the conveying of the material, the material circulates in continuous channels in the shape of a deformed 8 and passing from one screw to another through the zone of interpenetration between screws. The material there is also subjected to shear. Intense shear is also generated in the clearance between the screw threads and the barrel. With the only direct pitch elements, the extruder is not totally filled with the material and the material is therefore not under pressure before having reached the last elements before the die.
  • FIG. 2 illustrates an example of the geometry of mixers 21, having a bilobe profile with a splined central axis.
  • each screw is chosen to allow the implementation of the proposed wood pellet extrusion process. They are made up of the same sequences of elements so that they can interpenetrate, be combined and enter into rotation without mechanically interfering.
  • the sheath is generally made up of a set of sheath elements (sections). These sheath elements being interchangeable in their positioning one after the other, as for the screw elements, their assembly can therefore be made to order. Able to be heated or cooled individually, each section can have its own set temperature.
  • the sheath as a whole may have possible openings all along the sheath for: either feed the extruded system with a liquid, solid, or viscous system by means of a suitable feed system such as a volume or weight flow meter, a pump or even another extruder, or evacuate liquid (such as for example water) or vapours.
  • the evacuation means comprise one or more openings in the sheath making it possible to evacuate water vapor resulting from the drying of the wood during the proposed extrusion process.
  • Other additional openings can come in addition to evacuate liquid extractions, by simple gravity, based on water within the framework of the proposed method.
  • the proposed twin-screw extruder has the particularity of having: two identical screw profiles, interpenetrating, and mounted in rotation (preferably in co-rotation) in a bore of a sleeve, in which each screw profile comprises a shaft on which are mounted shear generating elements for crushing and drying pieces of wood in order to obtain wood particles having a reduced water content compared to the pieces of wood, and at least one die side 40 forming a side outlet relative to an axis of the screws of the extruder.
  • wood in its natural state wood is an anisotropic fibrous material and which remains so after transformation in the usual and current processes of transformation of wood as a structural material (beam, plank, etc.).
  • a co-product of sawing wood it comes in the form of sawdust or chips.
  • Due to the anisotropy of wood it is a material where the fibers are oriented which leads to co-products of sawing with elongated, flattened shapes and in any case with anisometric geometries which differ strongly from the ideal spherical shape. to hope for an isometry. These shapes are as much due to the natural structure of the wood as it is made, as to the usual tools that have sawn or crushed it.
  • the method comprises in particular the following steps:
  • the wood may in some cases have undergone prior drying or, on the contrary, have been re-moistened, insofar as it is simply a matter of restoring a natural water level in the wood before sawing (for example if the we want to use wood which has already dried over time, for example during storage, and which is no longer in its state as it is just after sawing a tree), and it will be understood that this possible modification of the moisture content will be made without or with mechanical treatment of the wood such as mixing.
  • a rewetting of the wood can also be done in the same extruder by means of a feed pump as a peripheral connected to the sheath of the extruder or to one of its sections constituting it.
  • the use of a natural wood as is will nevertheless remain preferred, as it allows for minimal costs and handling.
  • the wood may have been rinsed with water or separated from its pollutants by simple flotation in water. water, ideally continuously and in this case integrated into the overall process, before extrusion.
  • this wood may have ovoid shapes, and preferably substantially spherical, after grinding that it did not have at the extruder inlet. It should be noted that the drying of this stage is not a drying removing all the water present in the pieces of wood, we can therefore speak of partial drying;
  • Step (a) Step (a) of supplying pieces of wood essentially consists of introducing pieces of wood into a twin-screw extruder.
  • the wood is introduced continuously "as is", without adding a fluid or any additive.
  • fluid it is understood the addition of water, an aqueous solution or any liquid that may have a lubricating function in the extrusion process and / or final binder extruded rod(s).
  • One of the advantageous characteristics of the proposed extrusion process is that it is effective with any type of wood.
  • it can be applied to pieces of wood from softwoods as well as from hardwoods.
  • step (a) it is possible, for example, to provide pieces of wood from softwoods, or pieces of wood from hardwoods, or pieces of wood from a mixture of softwoods and hardwoods.
  • step (b) comprises the grinding, in the twin-screw extruder, of the pieces of wood, whether in the form of sawdust from raw grinding, wood chips, wood shavings, or any other form of wood having been crushed beforehand or not, to obtain a wood powder having a particle size reduced in size compared to the incoming wood, completed with a form factor approaching the sphere.
  • the wood resource can come as much from wood from recently felled trees or from wood to be recycled by the user.
  • step (b) is carried out by generating shear on the extruded material.
  • the two interpenetrating screws, of the co-rotating twin-screw extruder move the pieces of wood in a longitudinal direction thanks to direct-pitch screw elements, while exerting locally in one or more targeted zones in screw profile, shear, using specific elements of the screw profile.
  • the twin-screw extruder may comprise in its screw profile at least a series of mixing elements 20 forming a block of this type of element (forming a “mixing” zone).
  • the kneading elements 20 can be assembled directly at the inlet of the twin-screw extruder, or more ideally preceded by a section of direct-pitch screw elements 10, ideally short, to generate an axial thrust force in the block composed of several mixers 21 and thus effectively feed the mixing zone without clogging.
  • elements with reverse thread 30 which are for example directly placed at the outlet of the mixer elements 20 constituting a block to retain the wood therein or separated by one or more elements to not straight.
  • elements with reverse thread 30 are also provided.
  • direct screw pitch elements 11 at the output of the reverse screw pitch elements 30 for conveying the particles which will be obtained.
  • extruder kneading elements allow high shear to be exerted, especially in conjunction with the reverse thread elements which hold the wood in the kneader and increase the filling and therefore the shear.
  • mixers make it possible to grind by breaking agglomerates or original particles into smaller particles. For this, they are assembled to several consecutively with angle offsets chosen because they are adjustable. An angle offset of approximately 90° is preferred here.
  • screw profile we mean all the assembled elements, direct and reverse pitch screw elements and mixers, on each shaft of the twin-screw extruder.
  • the mixer elements allow densification at the outlet by compression (strong pressure on the external thread of the mixer). As the wood can no longer pass through the axis at the end of the extruder, it is the pressure effect at the top of the threads of these mixers that dominates.
  • Figure 1 illustrates an example of a screw profile portion of a twin-screw extruder for implementing the desired shear in the proposed wood pellet extrusion process.
  • Step (b) is also a drying step, in the extruder, of the transformed wood to reduce its water content.
  • Step (b) is also a drying step, in the extruder, of the transformed wood to reduce its water content.
  • the extruder As specified above, in particular there is a partial drying of the wood since the water present is not entirely removed.
  • the bis-extruder and in particular the combination of kneading elements and elements with reverse screw pitch, in fact makes it possible to simultaneously heat the wood while it is ground.
  • the drying can in fact be carried out by using heat generated by work, on the material during grinding.
  • the energy dissipated during the grinding of the transformed material by the mechanical work exerted on the sheared material, generates self-heating which makes it possible to dry the wood, advantageously at a temperature of at least 100° C approx.
  • the elements with reverse thread can contribute to drying by wringing the wood to a certain extent (evacuation of water in the liquid state), and moreover thanks to the counter threads we manage to generate more self-heating and therefore a more efficient transition from water to vapor.
  • this step does not exclude possible additional heating by external energy supply (for example heating collars), in particular beyond 120°C, more preferably in the interval 130°C-160°C.
  • a proportion of between 10% and 80%, preferably between 20% and 60%, preferably between 30% and 40%, of the water naturally present in the wood, entering the extruder, can be extracted during step (b).
  • the residual moisture content drops below 40%, preferably between 25% and 40%, preferably between 30% and 35%, in particular around 32%. This corresponds, starting from a humidity rate of 55%, to an extraction of approximately 35% of the water naturally present in the wood.
  • step (b) can comprise a phase of evacuation of the water extracted from the wood, outside the extruder.
  • this phase can be performed using a opening or several specific openings of the sheath to evacuate water in liquid and/or gaseous form.
  • step (d) it is possible to repeat steps (a) and (b) several times before proceeding to step (d).
  • the particles can be extracted from the extruder after step (b), then directly reintroduced into the extruder (or another extruder) to start the process again at step (a).
  • Step (c) is a step of compressing the particles and shaping them in one or more dies to obtain one or more wooden rods which, cut after leaving the extruder, will give pellets.
  • step (c) can be carried out by applying a radial compression force, relative to the axis of the screws of the extruder, on the wood, the wood being simultaneously pushed in a radial direction, relative to the axis of the screws of the extruder, in one or more dies to form granules.
  • the die(s) are thus positioned laterally relative to the axis of the screws and to the sleeve, that is to say they are not positioned at the end forming the outlet of the extruder and along the axis of the extruder as is usually the case, but on the side. We are talking about lateral channels.
  • each die is positioned laterally with respect to the axis of the screws of the extruder, forming a lateral exit, so as to allow lateral extrusion with respect to the axis of the screws of the extruder.
  • radial die Even for the case where the axis of the die is not exactly radial with respect to the axis of the extruder.
  • Each die can for example have an elongated shape extending laterally relative to the barrel of the extruder, and having a spinning orifice, preferably with a diameter of between 5 mm and 15 mm, for example of the order of 6 mm, 8mm, 10mm, or 12mm.
  • FIG. 4 illustrates an example of the arrangement of several lateral dies 40 with respect to the sleeve 50 of a twin-screw extruder as proposed.
  • the axial end 51 of the sheath has no outlet / orifice for the passage of wood.
  • the assembly flange 51 is therefore full, with no outlet orifice allowing material to come out. If one or more axial holes exist, for example revealing the ends of the screw and their terminal nut tightening the profile of the screw, sealing against the wood is ensured in the axial direction between these ends of the screw and the radial compression zone where the radial extrusion dies.
  • step (c) does not exclude material exits in an axial direction from the extruder, in particular gaseous fractions such as water vapor and/or liquid fractions such as water or water with a low content of submicronic wood particles giving a low viscous appearance. Wood can therefore possibly pass through the clearances between mechanical parts by being reduced to the submicron particulate state and to the pasty state because it is mixed with the liquid fraction.
  • a sealing device can also prevent any liquid and/or gas passage in the axial direction as shown with the assembly flange 51.
  • the method may comprise a step (d) of drying the granules at the exit of the die(s) used to take the wood out of the extruder, densified and shaped.
  • the rods are cut into pellets before drying, even if the reverse is possible.
  • step (b) allows the particles to be dried beforehand, which are then formed into granules.
  • step (d) makes it possible to further reduce the moisture content of the granules, advantageously below 12%, preferentially between 7% and 10%, very preferentially up to about 8%.
  • step (d) is a finishing drying step, which is optional insofar as the granules have already been dried beforehand.
  • this step is necessarily shorter and above all less energy-intensive than the usual drying steps of the prior art, because the granules are already partially dried thanks to the mechanical work during step (b).
  • wood pellets are proposed, the pellets being obtained according to the wood pellet extrusion process described above.
  • these granules have densities of 1.1 to 1.2 when they are are wet (at the output of step (c), i.e. with a humidity rate of around 32%) and at least 0.7 or even around 0.8 once dried (at the output of step (d), i.e. with a moisture content of less than 12%) to be compared with the densities of 0.6 to 0.7 generally observed for the granules obtained by the known methods.
  • the wood pellets obtained according to the proposed extrusion process have a moisture content of less than 12%, preferably a moisture content of less than 10%, and more preferably a moisture content of between 7 % and 10%, for example of the order of 8%.
  • Such wood pellets also have a density of at least 0.7, preferably at least 0.8.
  • the wood pellets obtained according to the proposed extrusion process have the particularity, and the advantage, of not disintegrating in water.
  • the disintegration is defined by a return of the wood to the state of particulate powder close to its state before transformation, by a natural disintegration when a granule is placed in water at ambient temperature around 20° C. This this is observed in a few tens of seconds or minutes at most with the granules conventionally produced by the roller presses of the prior art described in the introduction.
  • the granule produced by the proposed extrusion process does not disintegrate after 6 hours and even after several days of soaking.
  • the wood pellets obtained according to the proposed extrusion process are advantageously wood pellets without additives. We can speak of wood pellets formed only from wood, that is to say consisting only of wood.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé d'extrusion de granulés de bois, comprenant au moins les étapes de : (a) fourniture de morceaux de bois; (b) broyage et séchage partiel, dans une extrudeuse bi-vis comportant au moins des éléments générateurs de cisaillement, des morceaux de bois pour obtenir des particules de bois présentant un taux d'eau réduit par rapport aux morceaux de bois; (c) compression des particules et mise en forme dans au moins une filière pour obtenir des granulés de bois. L'invention concerne également un granulé de bois obtenu par ce procédé et une extrudeuse bi-vis corotative prévue pour l'extrusion de granulés de bois.

Description

Procédé d’extrusion de granulés de bois, extrudeuse bi-vis corotative pour l’extrusion de granulés de bois, et granulés de bois correspondants
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine de l’extrusion de granulés de bois, notamment avec une extrudeuse bi-vis.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Le domaine de la production de granulés de bois à partir de coproduits des scieries, sous forme de sciure ou plaquettes est en pleine expansion : 10% de croissance annuelle sur les 5 dernières années et pas de variation de coût significative sur cette période de la matière première qui est classée comme déchet de sciage provenant de la transformation du bois. Le contexte géopolitique mondial en 2022 autour du sujet énergie a toutefois généré une inflation des prix de ce déchet transformé en ressource énergétique : le granulé bois pour l’énergie.
Le bois en forme de granulé est donc valorisable comme source d’énergie en le brûlant, grâce notamment à une chaudière source de performance à la combustion et de moindre impact environnemental avec des rejets gazeux et particulaires, nocifs pour l’environnement, minimisés. La chaleur produite par la combustion peut, soit servir à produire de la chaleur pour chauffer, par exemple de l’habitat individuel ou collectif, soit produire un autre type d’énergie comme de l’électricité ou du travail mécanique.
Le procédé de fabrication de granulé disponible sur le marché se compose d’une presse circulaire qui force par des galets, deux en général, du bois sous forme de sciure déjà fortement séché en amont (taux d’humidité résiduel, généralement inférieur à 12% de la masse totale), au travers de multiples filières (trous) disposées de manière radiale dans l’enveloppe métallique circulaire de la presse sur laquelle roule les galets. Les trous peuvent être purement cylindriques ou coniques ou mixtes. Ces filières permettent d’obtenir des granulés avec un diamètre généralement fixé à 6 mm, standard usuel entrant dans les normes qualifiant un granulé bois pour l’énergie.
Les coûts d’investissement et les infrastructures industrielles pour parvenir au granulé en séchant, convoyant, stockant en attente, de la sciure préalablement préparée à sa transformation finale, sont très élevés. Les infrastructures d’un site de production sont très conséquentes en taille. Associé aux forts volumes traités dans une unité de production, les dimensions des installations génèrent de fortes déperditions énergétiques lors des étapes de séchage et de convoyage. Des volumes de stockage pouvant atteindre plusieurs centaines de m3, exigent des besoins fonciers proportionnés. La taille d’une unité de production complète exige des investissements dépassant les dix millions d’euros. Seules les plus grosses scieries, productrices de sciure et actuellement seules concernées par sa transformation, sont capables d’investir et donc de produire. Les scieries de petite et moyenne taille, incapables d’investir et d’amortir ce type d’installations par leurs volumes à traiter insuffisants, se retrouvent de fait avec des stocks de sciure actuellement non valorisables sur leurs sites et sont contraints de la revendre à des transformateurs à faible coûts, bien en-deçà du prix après transformation en granulés commercialisables.
L’unique procédé, historique, de production de granulé bois pour l’énergie n’offre pas de flexibilité pour la transformation finale dans la presse et donc peu d’options d’amélioration du produit. Il ne permet pas non plus la valorisation de bois issus de feuillus à de rares exceptions. Seule l’utilisation des essences de bois de résineux est actuellement possible. Les essences de feuillus sont très marginales et considérées comme inadéquates avec les procédés existants actuellement.
Par une transformation d’un bois préalablement fortement séché et donc très dur, les casses mécaniques, en particulier des roulements à billes des galets, sont régulières générant des interruptions de production aléatoires et des coûts de maintenance impactant les coûts globaux.
ANISOTROPIE NATURELLE DU BOIS ET CONSEQUENCE DANS LES PROCEDES
Le bois est en soi un matériau hétérogène à toutes les échelles, moléculaire à macroscopique, et anisotrope. Il est constitué de trois composants principaux : cellulose, hémicellulose et lignine avec des effets d’orientation des fibres de cellulose qui le constituent et le rendent anisotrope. Cette anisotropie, due au fait que le bois est fibreux, génère des facteurs de forme et une anisométrie des particules de bois obtenues lors d’une étape de sciage ou de broyage. Que ce soit sous forme d’une sciure fine ou grossière ou sous forme de plaquettes, le bois se présente avec des géométries allongées, dans le sens des fibres, ou aplaties. Les coproduits des scieries transformés en granulé par les presses actuelles se présentent tous avec des facteurs de forme permettant de qualifier ce bois transformé, comme anisométrique. Ce point à son importance car il a été démontré que les anisotropies et isométries liées au facteur de forme et à la structure du bois génèrent des forces radiales supplémentaires lorsque ces objets s’écoulent en force, donc sous pression, dans des formes géométriques cylindriques telles que des filières pouvant conformer le bois (voir le document Effect of Fiber Orientation on Compression and Frictional Properties of Sawdust Particles in Fuel Pellet Production, DOI 10.1021 /ef800923v 2009). Les forces radiales au sens de l’écoulement assurant la mise en forme, génèrent donc davantage de frottement avec trois conséquences : d’avantage d’énergie requise pour produire à un débit fixé, de la dégradation du produit par de l’auto-échauffement lié au frottement (brunissement en surface du produit) et, du fait d’un coût énergétique supplémentaire inutile, une capacité maximale de production de la machine, qui exerce l’action mécanique, réduite.
L’anisotropie du bois est donc présente naturellement mais, en plus, les procédés de production actuel de granulés bois subissent cette anisotropie responsable d’un facteur de forme de la matière entrante qui n’a jamais pu être à ce jour supprimé par une action avale à la transformation finale en granulé.
Dans le contexte d’optimiser les coûts énergétiques et d’intensifier les procédés, il devient nécessaire de fournir un procédé permettant de fabriquer plus aisément des granulés des bois à partir d’une ressource idéalement isométrique, en partant d’un bois anisotrope qui est naturellement sous une forme de particules anisométriques, en utilisant l’eau qu’il peut contenir naturellement après sciage (i.e. sans ajout d’eau nécessairement requis ou d’un autre liquide).
EXPOSE DE L'INVENTION
Selon un premier aspect, on propose un procédé d’extrusion de granulés de bois, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend au moins les étapes de :
(a) fourniture de morceaux de bois ;
(b) broyage et séchage partiel, dans une extrudeuse bi- vis comportant au moins des éléments générateurs de cisaillement, des morceaux de bois pour obtenir des particules de bois présentant un taux d’eau réduit par rapport aux morceaux de bois, c'est-à-dire les morceaux de bois de l’étape (a) entrant dans l’extrudeuse ;
(c) compression des particules et mise en forme dans au moins une filière pour obtenir des granulés de bois.
Selon un exemple particulier, on propose un procédé d’extrusion de granulés de bois, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend au moins les étapes de :
(a) fourniture de morceaux de bois ;
(b) broyage et séchage, dans une extrudeuse bi-vis comportant au moins des éléments malaxeurs et des éléments à pas de vis inverse, des morceaux de bois pour obtenir des particules de bois présentant un taux d’eau réduit par rapport aux morceaux de bois, c'est- à-dire les morceaux de bois de l’étape (a) entrant dans l’extrudeuse ;
(c) compression des particules et mise en forme dans au moins une filière pour obtenir des granulés.
Les étapes (a), (b) et (c) sont préférentiellement successives les unes après les autres.
Selon des caractéristiques avantageuses et non limitatives, prises seules ou en combinaison, de ce procédé d’extrusion :
L’étape (a) de fourniture de morceaux de bois comprend uniquement la fourniture de morceaux de bois tel quel sans adjonction d’un additif tel qu’un fluide.
Les éléments générateurs de cisaillement comprennent des éléments malaxeurs, et le broyage de l’étape (b) est réalisé en appliquant un effort de cisaillement sur les morceaux de bois, grâce aux éléments malaxeurs de l’extrudeuse.
Les éléments générateurs de cisaillement comprennent au moins un élément à pas de vis inverse, et les morceaux de bois sont concomitamment déplacés selon une direction axiale, par rapport à l’axe des vis de l’extrudeuse, mais retenus par le ou les élément(s) à pas de vis inverse.
Lors de l’étape (b) le séchage partiel est réalisé en utilisant une chaleur générée par le broyage jusqu’à une température d’au moins 100°C.
L’étape (b) comprend au moins une phase d’évacuation d’une eau extraite des fibres de bois, à l’extérieur de l’extrudeuse.
L’étape (c) de compression est réalisée en appliquant un effort de compression radial, par rapport à l’axe des vis de l’extrudeuse, de sorte à pousser les particules de bois selon une direction sensiblement radiale, par rapport à l’axe des vis de l’extrudeuse, dans l’au moins une filière pour former au moins un jonc extrudé et obtenir après coupe, lesdits granulés de bois.
Le procédé comprend une étape (d) de séchage final des granulés de bois à la sortie de la filière, en particulier jusqu’à un taux d’humidité inférieur à 12%, ce qui permet notamment de respecter les normes qualifiant un granulé de bois pour l’énergie.
L’étape (d) est paramétrée pour l’obtention de granulés de bois présentant un taux d’humidité compris entre 7% et 10%.
Les étapes (b), (c) et (d) sont paramétrées pour l’obtention de granulés de bois présentant un taux d’humidité inférieur à 12% et une densité d’au moins 0.7.
Les étapes (b), (c) et (d) sont paramétrées pour l’obtention de granulés de bois présentant un taux d’humidité inférieur à 12% et une densité d’au moins 0.8. Les morceaux de bois fournis à l’étape (a) présentent un taux d’humidité naturel supérieur à 40%, préférentiellement de l’ordre de 55%, et les particules de bois obtenues en sortie de l’étape (b) présentent un taux d’humidité inférieur à 40%, préférentiellement entre 30% et 35%.
Les particules de bois obtenues en sortie de l’étape (b) présentent une forme ovoïde, voire sensiblement sphérique.
Les étapes (a) et (b) sont répétées plusieurs fois avec les mêmes morceaux de bois et particules, avant de passer à l’étape (c).
- À l’étape (a), on fournit des morceaux de bois issus de résineux, ou des morceaux de bois issus de feuillus, ou des morceaux de bois issus d’un mélange de résineux et de feuillus.
Selon un deuxième aspect, est proposée une extrudeuse bi-vis adaptée pour mettre en oeuvre le procédé d’extrusion de granulés de bois selon le premier aspect.
On propose en particulier une extrudeuse bi-vis, de préférence corotative, prévue pour l’extrusion de granulés de bois comprenant : deux profils de vis identiques, interpénétrées, et montées en rotation (de préférence en corotation) dans un alésage d’un fourreau, dans laquelle chaque profil de vis comprend un arbre sur lequel sont montés des éléments générateurs de cisaillement pour broyer et sécher des morceaux de bois afin d’obtenir des particules de bois présentant un taux d’eau réduit par rapport aux morceaux de bois, et au moins une filière latérale (40) formant une sortie latérale par rapport à un axe des vis de l’extrudeuse.
Des aspects préférés mais non limitatifs de cette extrudeuse bi-vis, pris seuls ou en combinaison, sont les suivants :
Chaque profil de vis comprend des moyens de compression montés sur l’arbre, pour une compression radiale, par rapport à un axe des vis de l’extrudeuse, des particules de bois en direction de la au moins une filière latérale.
Les moyens de compression comprennent des éléments de vis à pas direct et des éléments malaxeurs placés en fin de profil de vis, les éléments de vis à pas direct étant agencés pour pousser les particules de bois sur les éléments malaxeurs.
Le fourreau est dépourvu de sortie de bois selon une direction parallèle aux axes des vis de l’extrudeuse.
Les éléments générateurs de cisaillement comprennent des éléments malaxeurs (20). Les éléments générateurs de cisaillement comprennent au moins un élément à pas de vis inverse (30).
Le au moins un élément à pas de vis inverse (30) est directement placé en sortie des éléments malaxeurs (20).
Chaque profil de vis comprend au moins un élément de pas de vis direct directement placé en sortie des éléments malaxeurs (20) et juste avant le au moins un élément à pas de vis inverse (30).
Selon un troisième aspect, est proposé un granulé de bois susceptible d’être obtenu selon le procédé d’extrusion de granulés de bois selon le premier aspect.
Selon des caractéristiques avantageuses et non limitatives, le granulé présente un taux d’humidité inférieur à 12% après séchage final et une densité d’au moins 0.7 et préférentiellement supérieure à 0.8.
De préférence, le granulé de bois présente un taux d’humidité compris entre 7% et 10%.
De manière avantageuse, le granulé de bois est non délitable dans l’eau.
De préférence, le granulé de bois est formé uniquement de bois et ne comprend en particulier aucun additif.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 représente un exemple d’une portion de profil de vis d’une extrudeuse bi-vis pour la mise en oeuvre du procédé d’extrusion de granulés de bois proposé.
La figure 2 représente un exemple d’élément malaxeur d’une extrudeuse bi-vis pour la mise en oeuvre du procédé d’extrusion de granulés de bois proposé.
La figure 3 représente schématiquement les étapes d’un mode de réalisation du procédé d’extrusion de granulés de bois proposé.
La figure 4 représente un exemple d’agencement de filières latérales en sortie d’une extrudeuse bi-vis pour la mise en oeuvre du procédé d’extrusion de granulés de bois proposé.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L’invention propose un procédé d’extrusion de granulés de bois. Typiquement ce procédé peut être mis en oeuvre avec une extrudeuse bi-vis corotative.
Notons ici que tous les pourcentages exprimés dans la suite de la description sont, sauf mention contraire, des pourcentages massiques.
Extrudeuse bi-vis
Selon un premier aspect, on propose une extrudeuse bi-vis, de préférence corotative, adaptée pour mettre en oeuvre le procédé d’extrusion de granulés de bois proposé. C’est un procédé continu. On note que l’on peut en pratique utiliser une succession d’extrudeuses bi-vis, de sorte que le présent procédé ne sera pas limité à une unique extrudeuse bi-vis.
D’une manière connue, une extrudeuse bi-vis corotative est une machine de transformation constituée de deux profils de vis identiques, interpénétrées, tournant dans le même sens dans l’alésage d’un fourreau. Les vis sont entraînées par un bloc moteur et tournent toutes deux à la même vitesse. Une ou plusieurs zones d’alimentation peut être mises en place. En général, une zone d’alimentation est choisie en début de profil de vis le cas échéant avec des doseurs latéraux ou secondaires. En sortie, au moins une filière assure la conformation de la matière sous forme d’un jonc dont la section peut prendre toute forme. La filière peut être cylindrique ou conique ou combinant des sections cylindriques et coniques dans le cas d’une section ronde. Toute autre section étant possible selon le même principe.
Les particularités et avantages d’une extrudeuse de ce type, usuellement utilisée pour transformer une matière visqueuse en capacité de s’écouler, sont dues :
- À la modularité des profils de vis par la multitude d’éléments assemblables. Par profil de vis, on entend tous les éléments assemblés, éléments de vis à pas direct, inverse et malaxeurs, sur chaque arbre de l’extrudeuse bi-vis, comme expliqué plus loin.
- À la modularité du fourreau (détaillé plus loin).
La diversité de filières possibles, par leur design géométrique et en particulier leur section, pour conformer la matière sortant en continu dans sa forme finale en sortie d ’extrudeuse.
La modularité des équipements périphériques associés pour alimenter l’extrudeuse ou extraire.
Un profil de vis d’une extrudeuse peut être assemblé à façon par l’association de trois principaux types d’éléments usuels pour ce procédé qui peuvent avoir des rôles propres ou être associés en synergie. Ils ont tous le même diamètre externe mais peuvent être de longueur variable et s’assemblent sur des arbres de vis qui peuvent être cannelés ou de sections empêchant leur libre rotation sur les arbres, par exemple une section hexagonale, ou un autre système empêchant la rotation tel qu’un système à clavettes. Dans tous les cas d’une extrusion conventionnelle avec une sortie axiale de la matière en bout d’extrudeuse, l’ensemble des éléments choisis, quel que soit leur type, quel que soit leur nombre et longueur, devront avoir une longueur assemblée égale à la longueur des arbres de vis les supportant lorsque fonctionnant dans une configuration classique. L’assemblage sans jeu entre les éléments est maintenu usuellement par des vis de serrage en bout d’arbre. Ces profils de vis peuvent se terminer par une forme externe en forme de pointe. L’ordre d’assemblage choisi des éléments de vis permettra de générer des zones avec des fonctionnalités spécifiques pour y effectuer des tâches précises dans chaque zone spécifique élaborée.
Le fourreau qui entoure les profils de vis assure globalement l’étanchéité et résiste à la pression s’il est totalement fermé mais permet aussi des échanges thermiques en étant chauffé ou à l’inverse refroidi avec un système de refroidissement régulé intégré par circulation d’un fluide liquide ou gazeux. Le chauffage ou refroidissement n’est pas constant sur tout le profil. Il peut être ajusté en zones différenciées tout le long du fourreau où chaque tronçon/élément de fourreau aura son propre système de chauffe et refroidissement
La matière sortante de l’extrudeuse et de son système de fourreau / vis sera conformée au moyen d’une filière. En général, la filière est fixée sur le dernier élément de fourreau avec un convergent intermédiaire, le tout dans l’axe du profil des vis. Cette filière peut comporter une sortie unique ou en combiner plusieurs.
En référence à la figure 1 , où la flèche S représente le sens d’écoulement de la matière, les éléments couramment utilisés pour constituer un profil de vis sont :
Les éléments de vis à pas direct (10 ; 11 ) permettent de convoyer la matière dans le sens de l’écoulement. Ces éléments de vis sont caractérisés par leur pas (distance parcourue par tour) et le nombre de chenaux séparés par des filets, de 1 à 3 chenaux, généralement 2. Par ailleurs, leur géométrie, dite conjuguée, assurent un effet autonettoyant lors de la rotation et lors du convoyage de la matière, la matière circule dans des canaux continus en forme de 8 déformé et en passant d’une vis à l’autre par la zone d’interpénétration entre vis. La matière y est également soumise à un cisaillement. Du cisaillement intense est également généré dans le jeu entre les filets des vis et le fourreau. Avec les seuls éléments à pas direct, l’extrudeuse n’est pas remplie totalement par la matière et la matière n’est donc pas sous pression avant d’avoir atteint les derniers éléments avant la filière. Les vis exercent seulement un effet de pression en arrivant en sortie pour passer dans la filière de section réduite. L’extrudeuse est alors localement remplie de matière sous pression. Les éléments à pas inverse 30 génèrent un flux inverse au sens de l’écoulement et permettent de générer localement du remplissage, la mise sous pression et une action de mélange. Ils peuvent aussi permettre d’augmenter localement le cisaillement, ainsi que l’auto échauffement et l’essorage comme expliqué plus loin. Les éléments malaxeurs 20, appelés en anglais Wide Kneading Elements (KNE) ou Thin Kneading Element (TKE), sont utilisés pour générer sous cisaillement du mélange dispersif ou du mélange distributif de systèmes visqueux. La figure 2 illustre un exemple de géométrie de malaxeurs 21 , ayant un profil bilobe avec axe central cannelé. Leur section est identique ou ne dépasse pas celle des vis caractérisées par leur diamètre, mais ils sont décalés les uns par rapport aux autres dans l’axe de la vis et assemblés par blocs (Figure 1 , 7 malaxeurs assemblées pour exemple, en alternance, avec des décalages d’angle positifs ou négatifs. De ce décalage dépendra le cisaillement et le mélange généré entre deux éléments consécutifs. Comme pour les autres éléments, ces malaxeurs sont interpénétrés et peuvent permettre à la matière de passer d’une vis à l’autre, et conjugués pour un effet autonettoyant. Par l’angle de décalage, des transferts axiaux du fluide, assurant le mélange, sont aussi possibles. Généralement, l’angle de décalage entre chaque malaxeur, pris deux à deux, reste constant dans le bloc mais il peut aussi varier par la modularité offerte. Certains fabricants proposent des blocs de malaxeurs directement construits en monobloc et non par l’assemblage de malaxeurs individuellement.
Ainsi par l’assemblage modulaire des différents types d’éléments de vis sur les arbres pour constituer un profil, il existe un nombre extrêmement élevé de combinaison d’éléments et donc de profils possibles.
En revanche, les profils géométriques de chaque vis sont choisis pour permettre la mise en oeuvre du procédé d’extrusion de granulés de bois proposé. Ils sont constitués des mêmes séquences d’éléments de sorte à pouvoir s’interpénétrer, être conjugués et entrer en rotation sans interférer mécaniquement.
Le fourreau est lui généralement constitué d’un ensemble d’éléments de fourreau (tronçons). Ces éléments de fourreau étant interchangeables dans leur positionnement les uns après les autres, comme pour les éléments de vis, leur assemblage peut donc être fait à façon. Pouvant être chauffés ou refroidis individuellement, chaque tronçon peut avoir sa propre température de consigne. Le fourreau dans sa globalité peut présenter des ouvertures possibles tout le long du fourreau pour : soit alimenter le système extrudé d’un liquide, solide, ou système visqueux au moyen d’un système d’alimentation adéquate comme un doseur de débit volumique ou pondéral, une pompe ou même une autre extrudeuse, soit évacuer du liquide (comme par exemple de l’eau) ou des vapeurs. D’une manière préférentielle, les moyens d’évacuation comprennent une ou plusieurs ouvertures dans le fourreau permettant d’évacuer de la vapeur d’eau issue du séchage du bois lors du procédé d’extrusion proposé. D’autres ouvertures additionnelles peuvent venir en complément pour évacuer des extractions liquides, par simple gravité, à base d’eau dans le cadre du procédé proposé.
Comme expliqué en détail plus loin, l’extrudeuse bi-vis proposée présente la particularité d’avoir : deux profils de vis identiques, interpénétrées, et montées en rotation (de préférence en corotation) dans un alésage d’un fourreau, dans laquelle chaque profil de vis comprend un arbre sur lequel sont montés des éléments générateurs de cisaillement pour broyer et sécher des morceaux de bois afin d’obtenir des particules de bois présentant un taux d’eau réduit par rapport aux morceaux de bois, et au moins une filière latérale 40 formant une sortie latérale par rapport à un axe des vis de l’extrudeuse.
Procédé d’extrusion
Selon un autre aspect, on propose un procédé d’extrusion de granulés de bois.
D’une manière connue, à l’état naturel le bois est un matériau fibreux anisotrope et qui le reste après transformation dans les procédés usuels et actuels de transformation du bois en tant que matériau de structure (poutre, planche, etc.). En tant que coproduit de sciage du bois, il se présente sous forme de sciure ou de plaquettes. En raison de l’anisotropie du bois, c’est un matériau où les fibres sont orientées ce qui conduit à des coproduits de sciage avec des formes allongées, aplaties et dans tous les cas avec des géométries anisométriques qui différent fortement de la forme sphérique idéale pour espérer une isométrie. Ces formes sont autant dues à la structure naturelle du bois tel qu’il est constitué, qu’aux outils usuels l’ayant scié ou broyé.
En référence à la figure 3, le procédé comprend notamment les étapes suivantes :
(a) fourniture de morceaux de bois coproduit de sciage ou de broyage de préférence « tel quel », c’est-à-dire n’ayant pas subi de traitement particulier, et en particulier avec leur il taux d’eau naturel, à l’équilibre naturel avec le milieu ambiant, entre 30% et 80%, avantageusement entre 40% et 70%, très avantageusement entre 40% et 60%, préférablement de l’ordre de 55%, et avant toute transformation en extrudeuse. Ces morceaux de bois présentent des formes quelconques différentes de la sphère : formes allongées et/ou aplaties type plaquette, et présentent des fibres anisotropes. On notera que le bois pourra dans certains cas avoir subi un séchage préalable ou au contraire avoir été réhumidifié, dans la mesure où il s’agit simplement de rétablir un taux d’eau naturel d’un bois avant sciage (par exemple si l’on veut utiliser du bois qui a déjà séché avec le temps, durant par exemple un stockage, et qui n’est plus dans son état tel qu’il est juste après sciage d’un arbre), et on comprendra que cette éventuelle modification du taux d’humidité sera faite sans ou avec traitement mécanique du bois tel qu’un malaxage. Une réhumidification du bois peut également être faite dans l’extrudeuse même au moyen d’une pompe d’alimentation en tant que périphérique connecté au fourreau de l’extrudeuse ou à l’un de ses tronçons le constituant. L’utilisation d’un bois naturel tel quel restera néanmoins préférée, car permettant les coûts et les manipulations minimaux. Dans l’objectif de retirer tout résidu minéral ou métallique, pouvant être présent comme contaminant dans le bois à transformer et ne pouvant passer en extrudeuse, le bois pourra avoir été rincé à l’eau ou séparé de ses polluants par simple flottation dans de l’eau, idéalement en continu et dans ce cas intégré dans le procédé global, avant extrusion.
(b) broyage et séchage, dans une extrudeuse bi-vis, des morceaux de bois pour l’obtenir sous forme de particules présentant un taux d’eau réduit et avec une granulométrie globale inférieure à celle du bois entrant en machine. Additionnellement, ce bois peut présenter des formes ovoïdes, et préférentiellement sensiblement sphériques, après broyage qu’il n’avait pas en entrée d’extrudeuse. Il est à noter que le séchage de cette étape n’est pas un séchage enlevant la totalité de l’eau présente dans les morceaux de bois, on peut donc parler de séchage partiel ;
(c) compression et densification du bois et mise en forme dans une ou plusieurs filières pour obtenir un ou plusieurs joncs, en continu, qui pourront être ensuite coupés en granulé final et présentant une tenue mécanique suffisante pour ne pas se délier et répondre après séchage final, post-extrusion, au cahier des charges des granulés bois pour l’énergie sur la base de la norme EN+ ou des autres normes équivalentes en vigueur.
Etape (a) L’étape (a) de fourniture de morceaux de bois consiste essentiellement en l’introduction dans une extrudeuse bi-vis de morceaux de bois.
Il est précisé que préférentiellement, le bois est introduit en continu « tel quel », sans adjonction d’un fluide ou d’un quelconque additif. Dans le cas présent, par adjonction de fluide, il est entendu l’ajout d’eau, d’une solution aqueuse ou de n’importe quel liquide pouvant avoir une fonction de lubrification dans le procédé d’extrusion et/ou de liant final du ou des joncs extrudés.
En effet, l’introduction des morceaux de bois humide sans adjonction d’un fluide est une disposition particulièrement avantageuse de l’invention, qui (comme cela sera développé ci- après) permet de fabriquer rapidement des granulés de bois, en utilisant pour seul intrant des copeaux, plaquette ou sciure de bois obtenus en tant que coproduits d’arbres transformés ou de bois à recycler post-usage, en fin de vie.
L’une des caractéristiques avantageuses du procédé d’extrusion proposé est qu’il est efficace avec tout type de bois. En particulier, il pourra être appliqué à des morceaux de bois issus de résineux comme issus de feuillus.
Ainsi, à l’étape (a), on peut par exemple fournir des morceaux de bois issus de résineux, ou des morceaux de bois issus de feuillus, ou des morceaux de bois issus d’un mélange de résineux et de feuillus.
Etape (b)
Comme indiqué précédemment, l’étape (b) comprend le broyage, dans l’extrudeuse bi-vis, des morceaux de bois que ce soit forme de sciure de bois issue du broyage brut, de plaquettes de bois, de copeaux de bois, ou toute autre forme de bois ayant été préalablement broyé ou pas, pour obtenir une poudre de bois présentant une granulométrie réduite en taille par rapport au bois entrant, complété d’un facteur de forme se rapprochant de la sphère. La ressource bois peut être issue autant d’un bois d’arbres récemment abattus ou d’un bois à recycler usager.
Plus précisément, l’étape (b) est réalisée en générant du cisaillement sur la matière extrudée. En d’autres termes, les deux vis interpénétrées, de l’extrudeuse bi-vis corotative, déplacent les morceaux de bois selon une direction longitudinale grâce à des éléments de vis à pas direct, tout en exerçant localement dans une ou des zones ciblées dans le profil de vis, du cisaillement, en employant des éléments spécifiques du profil de vis. À ce titre, l’extrudeuse bi-vis peut comprendre dans son profil de vis au moins une série d’éléments malaxeurs 20 formant un bloc de ce type d’éléments (formant une zone de « malaxage »). Les éléments malaxeurs 20 peuvent être directement assemblés en entrée de l’extrudeuse bi-vis, ou plus idéalement précédés par une section d’éléments de vis à pas direct 10, idéalement courte, pour générer une force de poussée axiale dans le bloc composé de plusieurs malaxeurs 21 et nourrir ainsi efficacement la zone de malaxage sans bourrage.
De manière préférée mais non obligatoire, il peut en outre être prévu des éléments à pas de vis inverse 30, qui sont par exemple directement placés en sortie des éléments malaxeurs 20 constituant un bloc pour y retenir le bois ou séparés par un ou plusieurs éléments à pas direct. On a en outre des éléments à pas de vis direct 11 en sortie des éléments à pas de vis inverse 30 pour convoyer des particules qui vont être obtenues.
Les éléments de malaxage de l’extrudeuse permettent d’exercer un cisaillement important, en particulier en complément avec les éléments à pas de vis inverse qui maintiennent le bois dans le malaxeur et augmentent le remplissage et donc le cisaillement. Typiquement les malaxeurs permettent de broyer en cassant des agglomérats ou des particules originelles en particules plus petites. Pour cela, ils sont assemblés à plusieurs consécutivement avec des décalages d’angle choisis car sont ajustables. Un décalage d’angle d’environ 90° est ici préféré. Par profil de vis, on entend tous les éléments assemblés, éléments de vis à pas direct, inverse et malaxeurs, sur chaque arbre de l’extrudeuse bi-vis.
Par ailleurs, les éléments malaxeurs permettent une densification en sortie par compression (forte pression sur le filet extérieur du malaxeur). Le bois ne pouvant plus passer dans l’axe au bout de l’extrudeuse, c’est l’effet de pression au sommet des filets de ces malaxeurs qui domine.
La figure 1 illustre un exemple d’une portion de profil de vis d’une d’extrudeuse bi-vis pour la mise en oeuvre du cisaillement souhaité dans le procédé d’extrusion de granulés de bois proposé.
L’étape (b) est également une étape de séchage, dans l’extrudeuse, du bois transformé pour réduire son taux d’eau. Comme précisé plus haut, on a en particulier un séchage partiel du bois puisque l’eau présente n’est pas entièrement supprimée.
L’extrudeuse-bis, et en particulier la combinaison des éléments de malaxage et des éléments à pas de vis inverse, permet en effet de chauffer concomitamment le bois alors qu’il est broyé. Selon une disposition technique particulièrement avantageuse, le séchage peut en effet être réalisé en utilisant une chaleur générée par du travail, sur la matière lors du broyage.
En d’autres termes, l’énergie dissipée lors du broyage de la matière transformée, par le travail mécanique exercé sur la matière cisaillée, génère un auto-échauffement qui permet de sécher le bois, avantageusement à une température d’au moins 100°C environ. À noter que les éléments à pas de vis inverse peuvent contribuer au séchage en essorant dans une certaine mesure le bois (évacuation d’eau à l’état liquide), et de plus grâce aux contrefilets on arrive à générer davantage d’autoéchauffement et donc un passage de l’eau à l’état vapeur plus efficace.
Par séchage, il est entendu qu’une partie de l’eau naturellement présente dans le bois est évaporée et est évacuée du fait de la température d’au moins 100°C. On parle aussi de séchage partiel puisque l’eau présente n’est pas entièrement évacuée de l’extrudeuse. D’une manière très avantageuse, cette étape de séchage, à l’intérieur de l’extrudeuse, en utilisant le travail mécanique source de chaleur, provoqué par le broyage, permet un gain de temps et d’énergie par rapport aux procédés connus. L’autoechauffement est en effet « gratuit » et s’avère en pratique très efficace. Des procédés connus cherchaient au contraire à dissiper la chaleur produite par l’autoéchauffement (l’énergie était non seulement perdue, mais sa dissipation avait un coût) pour éviter que le bois ne commence à carboniser puisqu’il était déjà sec (en dessous de 12% de taux d’humidité). Dans le présent procédé ce risque n’existe par puisque l’on a un taux naturel d’humidité, et le broyage/séchage concomitant ne fait en pratique qu’améliorer les propriétés des particules, comme expliqué plus loin.
À noter que cette étape n’exclut pas un éventuel chauffage supplémentaire par apport d’énergie extérieur (par exemple des colliers chauffants), notamment au-delà de 120°C, plus préférentiellement dans l’intervalle 130°C-160°C.
À titre d’exemple, une proportion comprise entre 10% et 80%, préférentiellement entre 20% et 60%, préférentiellement entre 30% et 40%, de l’eau naturellement présente dans le bois, entrant dans l’extrudeuse, peut être extraite lors de l’étape (b). De manière préférée, le taux d’humidité résiduel descend en dessous de 40%, préférentiellement entre 25% et 40%, préférentiellement entre 30% et 35%, en particulier environ 32%. Cela correspond, partant d’un taux d’humidité de 55%, à une extraction d’environ 35% de l’eau naturellement présente dans le bois.
En sus, l’étape (b) peut comprendre une phase d’évacuation de l’eau extraite du bois, à l’extérieur de l’extrudeuse. Typiquement, cette phase peut être réalisée en utilisant une ouverture ou plusieurs ouvertures spécifiques du fourreau pour évacuer de l’eau sous forme liquide et/ou gazeuse.
Répétition des étapes (a) et (b)
En fonction de la finesse de broyage désirée, il est possible de répéter plusieurs fois les étapes (a) et (b) avant de passer à l’étape (d). Pour ce faire, les particules peuvent être extraites de l’extrudeuse après l’étape (b), puis directement réintroduit dans l’extrudeuse (ou une autre extrudeuse) pour recommencer le procédé à l’étape (a).
Etape (c)
L’étape (c) est une étape de compression des particules et mise en forme dans une ou plusieurs filières pour obtenir un ou plusieurs joncs de bois qui, coupés postérieurement à la sortie de l’extrudeuse, donneront des granulés.
Plus précisément, l’étape (c) peut être réalisée en appliquant un effort de compression radial, par rapport à l’axe des vis de l’extrudeuse, sur le bois, le bois étant simultanément poussé selon une direction radiale, par rapport à l’axe des vis de l’extrudeuse, dans une ou plusieurs filières pour former des granulés. La ou les filières sont ainsi positionnées latéralement par rapport à l’axe des vis et au fourreau, c'est-à-dire qu’elles ne sont pas positionnées à l’extrémité formant la sortie de l’extrudeuse et selon l’axe de l’extrudeuse comme cela est généralement le cas, mais sur le côté. On parle de filières latérales. Ainsi, l’orifice de sortie formé par chaque filière est positionné latéralement par rapport à l’axe des vis de l’extrudeuse, formant une sortie latérale, de sorte à permettre une extrusion latérale par rapport à l’axe des vis de l’extrudeuse. On peut aussi parler de filière radiale même pour le cas où l’axe de la filière n’est pas exactement radial par rapport à l’axe de l’extrudeuse. Il y a en effet toujours une extension de la filière selon une direction généralement radiale par rapport à l’extrudeuse. En tout état de cause, comme indiqué plus haut, il n’y a pas de filière positionnée axialement à l’extrémité formant la sortie de l’extrudeuse.
Pour appliquer un effort de compression radial par rapport à l’axe des vis de l’extrudeuse, on peut utiliser par exemple des éléments de vis à pas direct conventionnels qui vont pousser les particules sur un ou des malaxeurs, sans décalage d’angle ou avec un décalage d’angle, placés en fin de profil sans possibilité pour la matière solide de sortir dans le sens axial. Au lieu que le dernier élément de fourreau soit ouvert pour extruder dans le sens axial des vis, conventionnellement, celui-ci est modifié ou complété d’un dispositif ne permettant pas la sortie du bois dans le sens axial. Il est en particulier prévu une ou plusieurs filières latérales comme exposé ci-dessus. Chaque filière peut par exemple avoir une forme allongée s’étendant latéralement par rapport au fourreau de l’extrudeuse, et ayant un orifice de filage, avec de préférence un diamètre compris entre 5 mm et 15 mm, par exemple de l’ordre de 6 mm, 8 mm, 10 mm, ou 12 mm.
La figure 4 illustre un exemple d’agencement de plusieurs filières latérales 40 par rapport au fourreau 50 d’une extrudeuse bi-vis telle que proposée. On remarque que l’extrémité axiale 51 du fourreau est dépourvue de sortie / orifice pour le passage de bois. Dans l’exemple illustré ici, la bride d’assemblage 51 est donc pleine, sans orifice de sortie laissant sortir de la matière. Si un ou des orifices axiaux existent laissant par exemple apparaître les bouts de vis et leur écrou terminal serrant le profil de vis, une étanchéité au bois est assurée dans le sens axial entre ces bouts de vis et la zone de compression radiale où se placent les filières d’extrusion radiales.
À noter aussi que l’étape (c) n’exclut pas des sorties de matière selon une direction axiale de l’extrudeuse, en particulier de fractions gazeuses comme de la vapeur d’eau et/ou de fractions liquides comme de l’eau ou eau faiblement chargée en particules de bois submicroniques conférant un aspect faiblement visqueux. Du bois peut donc éventuellement passer dans les jeux entre pièces mécaniques en étant réduit à l’état particulaire submicronique et à l’état pâteux car mélangé à la fraction liquide. Un dispositif d’étanchéité peut également empêcher tout passage liquide et/ou gazeux dans le sens axial comme présenté avec la bride d’assemblage 51.
Etape (d)
Selon une disposition particulièrement avantageuse, le procédé peut comprendre une étape (d) de séchage des granulés à la sortie de la ou les filières utilisée(s) pour sortir le bois de l’extrudeuse, densifié et conformé. Préférentiellement, les joncs sont coupés en granulés avant le séchage, même si l’inverse reste possible.
Comme indiqué précédemment, par séchage, il est entendu une opération consistant à chauffer les granulés pour faire évaporer une partie de l’eau qu’ils contiennent. Il peut être aussi provoqué partiellement ou en totalité par la convection s’opérant lors du refroidissement naturel du jonc extrudé car préalablement chauffé par le travail mécanique de la matière lors du passage à travers la filière. Comme indiqué, précédemment, l’étape (b) permet préalablement de sécher les particules qui sont ensuite formées en granulés.
Or, les particules de bois, et donc les granulés directement en sortie de la filière, ont encore un taux d’humidité de l’ordre de 32%, alors que l’on souhaite descendre en dessous de 12% comme expliqué.
Ainsi, l’étape (d) permet de diminuer encore le taux d’humidité des granulés, avantageusement en dessous de 12%, préférentiellement entre 7% et 10%, très préférentiellement jusqu’à environ 8%. En d’autres termes, l’étape (d) est une étape de séchage de finition, qui est optionnelle dans la mesure ou les granulés ont déjà été préalablement séchés. En outre, cette étape est nécessairement plus courte et surtout moins énergivore que les étapes de séchage usuelles de l’art antérieur, car les granulés sont déjà partiellement séchés grâce au travail mécanique lors de l’étape (b).
Granulés de bois
Selon un troisième aspect, il est proposé des granulés de bois, les granulés étant obtenus selon le procédé d’extrusion de granulés de bois décrit précédemment.
On constate que non seulement le procédé pour les obtenir est plus efficace énergétiquement, plus simple et moins coûteux, mais en plus ces granulés ont de meilleures propriétés physiques que ceux obtenus par les procédés connus : ces granulés ont des densités de 1.1 à 1.2 quand ils sont humides (en sortie de l’étape (c), i.e. avec un taux d’humidité de l’ordre de 32%) et au moins 0.7 voire environ 0.8 une fois séché (en sortie de l’étape (d), i.e. avec un taux d’humidité inférieur à 12%) à comparer avec les densités de 0.6 à 0.7 généralement constatées pour les granulés obtenus par les procédés connus.
Au final, les granulés de bois obtenus selon le procédé d’extrusion proposé ont un taux d’humidité inférieur à 12%, de préférence un taux d’humidité inférieur à 10%, et de préférence encore un taux d’humidité compris entre 7% et 10%, par exemple de l’ordre de 8%. De tels granulés de bois ont par ailleurs une densité d’au moins 0.7, préférentiellement d’au moins 0.8.
En outre, les granulés de bois obtenus selon le procédé d’extrusion proposé présentent la particularité, et l’avantage, de ne pas se déliter dans l’eau. On parle ainsi de granulés de bois non délitable dans l’eau. Le délitement se définit par un retour du bois à l’état de poudre particulaire proche de son état avant transformation, par un désagrègement naturel lorsqu’un granulé est mis en dans de l’eau à température ambiante autour de 20° C. Celui- ci est observé en quelques dizaines de secondes ou minutes tout au plus avec les granulés conventionnellement produits par les presses à galets de l’art antérieur décrites en introduction. Le granulé produit par le procédé d’extrusion proposé ne se délite pas après 6 heures et même après plusieurs jours de trempage. Rappelons que les granulés de bois obtenus selon le procédé d’extrusion proposé sont avantageusement des granulés de bois sans additifs. On peut parler de granulés de bois formés uniquement à partir de bois, c'est-à-dire consistant uniquement en du bois.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d’extrusion de granulés de bois, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend au moins les étapes de :
(a) fourniture de morceaux de bois ;
(b) broyage et séchage partiel, dans une extrudeuse bi- vis comportant au moins des éléments générateurs de cisaillement, des morceaux de bois pour obtenir des particules de bois présentant un taux d’eau réduit par rapport aux morceaux de bois ;
(c) compression des particules et mise en forme dans au moins une filière pour obtenir des granulés de bois.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel l’étape (a) de fourniture de morceaux de bois comprend uniquement la fourniture de morceaux de bois tel quel sans adjonction d’un additif tel qu’un fluide.
3. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel les éléments générateurs de cisaillement comprennent des éléments malaxeurs (20), le broyage de l’étape (b) étant réalisé en appliquant un effort de cisaillement sur les morceaux de bois, grâce aux éléments malaxeurs de l’extrudeuse.
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les éléments générateurs de cisaillement comprennent au moins un élément à pas de vis inverse (30), et dans lequel lors du broyage de l’étape (b), les morceaux de bois sont concomitamment déplacés selon une direction axiale, par rapport à l’axe des vis de l’extrudeuse, mais retenus par le au moins un élément à pas de vis inverse.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel lors de l’étape (b) le séchage partiel est réalisé en utilisant une chaleur générée par le broyage jusqu’à une température d’au moins 100°C.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’étape (b) comprend au moins une phase d’évacuation d’une eau extraite des fibres de bois, à l’extérieur de l’extrudeuse.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’étape (c) de compression est réalisée en appliquant un effort de compression radial, par rapport à l’axe des vis de l’extrudeuse, de sorte à pousser les particules de bois selon une direction sensiblement radiale, par rapport à l’axe des vis de l’extrudeuse, dans l’au moins une filière pour former au moins un jonc extrudé et obtenir après coupe, lesdits granulés de bois.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant une étape (d) de séchage final des granulés de bois à la sortie de la filière, en particulier jusqu’à un taux d’humidité inférieur à 12%.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l’étape (d) est paramétrée pour l’obtention de granulés de bois présentant un taux d’humidité compris entre 7% et 10%.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, dans lequel les étapes (b), (c) et (d) sont paramétrées pour l’obtention de granulés de bois présentant un taux d’humidité inférieur à 12% et une densité d’au moins 0.7.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, dans lequel les étapes (b), (c) et (d) sont paramétrées pour l’obtention de granulés de bois présentant un taux d’humidité inférieur à 12% et une densité d’au moins 0.8.
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 , dans lequel les morceaux de bois fournis à l’étape (a) présentent un taux d’humidité supérieur à 40%, préférentiellement de l’ordre de 55%, et les particules de bois obtenues en sortie de l’étape (b) présentent un taux d’humidité inférieur à 40%, préférentiellement entre 30% et 35%.
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel les particules de bois obtenues en sortie de l’étape (b) présentent une forme ovoïde, voire sensiblement sphérique.
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel les étapes (a) et (b) sont répétées plusieurs fois avec les mêmes morceaux de bois et particules, avant de passer à l’étape (c).
15. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel à l’étape (a), on fournit des morceaux de bois issus de résineux, ou des morceaux de bois issus de feuillus, ou des morceaux de bois issus d’un mélange de résineux et de feuillus.
16. Extrudeuse bi-vis corotative prévue pour l’extrusion de granulés de bois comprenant : deux profils de vis identiques, interpénétrées, et montées en corotation dans un alésage d’un fourreau, dans laquelle chaque profil de vis comprend un arbre sur lequel sont montés des éléments générateurs de cisaillement pour broyer et sécher des morceaux de bois afin d’obtenir des particules de bois présentant un taux d’eau réduit par rapport aux morceaux de bois, et au moins une filière latérale (40) formant une sortie latérale par rapport à un axe des vis de l’extrudeuse.
17. Extrudeuse bi-vis selon la revendication 16, dans laquelle chaque profil de vis comprend des moyens de compression montés sur l’arbre, pour une compression radiale, par rapport à un axe des vis de l’extrudeuse, des particules de bois en direction de la au moins une filière latérale.
18. Extrudeuse bi-vis selon l'une quelconque des revendications 16 et 17, dans laquelle les moyens de compression comprennent des éléments de vis à pas direct et des éléments malaxeurs placés en fin de profil de vis, les éléments de vis à pas direct étant agencés pour pousser les particules de bois sur les éléments malaxeurs.
19. Extrudeuse bi-vis selon l'une quelconque des revendications 16 à 18, dans lequel le fourreau est dépourvu de sortie de bois selon une direction parallèle aux axes des vis de l’extrudeuse.
20. Extrudeuse bi-vis selon l'une quelconque des revendications 16 à 19, dans lequel les éléments générateurs de cisaillement comprennent des éléments malaxeurs (20).
21. Extrudeuse bi-vis selon la revendication 20, dans lequel les éléments générateurs de cisaillement comprennent au moins un élément à pas de vis inverse (30).
22. Extrudeuse bi-vis selon la revendication 21 , dans lequel le au moins un élément à pas de vis inverse (30) est directement placé en sortie des éléments malaxeurs (20).
23. Extrudeuse bi-vis selon la revendication 21 , dans lequel chaque profil de vis comprend au moins un élément de pas de vis direct directement placé en sortie des éléments malaxeurs (20) et juste avant le au moins un élément à pas de vis inverse (30).
24. Granulé de bois obtenu susceptible d’être obtenu selon le procédé d’extrusion de granulés de bois selon l’une des revendications 1 à 15, présentant un taux d’humidité inférieur à 12% et une densité d’au moins 0.7, le granulé de bois étant non délitable dans l’eau.
25. Granulé de bois selon la revendication 24, étant formé uniquement de bois et ne comprenant en particulier aucun additif.
26. Granulé de bois selon l'une quelconque des revendications 24 et 25, présentant un taux d’humidité compris entre 7% et 10%.
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