FR2948298A1 - Dispositif de production de materiaux carbones solides par micro explosion - Google Patents

Abstract

Dispositif de production d'un matériau carboné solide à partir d'une biohuile, comprenant un dispositif de solubilisation pour solubiliser un gaz dans une biohuile, un dispositif de chauffe (1) par micro-explosion comprenant une enceinte (10), une pluralité de vannes (11, 12, 13, 16) pour l'introduction de gaz dans l'enceinte (10), un dispositif de mise à feu (14, 15, 140) permettant le déclenchement d'une micro-explosion dans l'enceinte (10) et un dispositif de collecte (17) pour collecter et/ou évacuer de l'enceinte (10) un matériau carboné solide produit à partir de la biohuile, le dispositif comprenant en outre une conduite (3) pour acheminer la biohuile du dispositif de solubilisation (2) vers le dispositif de chauffe (1), et procédé pour la production d'un matériau carboné solide à partir d'une biohuile, comprenant les étapes de solubilisation d'un gaz dans une biohuile, d'introduction d'un mélange explosif gazeux dans une enceinte (10) fermée, d'introduction dans l'enceinte (10) d'une charge de biohuile contenant un gaz solubilisé et de provocation de l'explosion du mélange explosif gazeux.

Description

-1- DISPOSITIF DE PRODUCTION DE MATERIAUX CARBONES SOLIDES PAR MICRO EXPLOSION.

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un dispositif de production de matériaux carbonés. Elle concerne plus particulièrement un dispositif pour la production de matériaux carbonés solides par chauffe ultra-rapide de biohuiles, de préférence de biohuiles additivées.

ETAT DE LA TECHNIQUE Les matériaux carbonés sont communément utilisés comme catalyseurs, notamment pour la destruction des matières polluantes formées lors de la conversion de biomasse en gaz de synthèse.

Ces matériaux carbonés présentent l'un des meilleurs ratios efficacité/coût pour catalyser la destruction des matières polluantes, car ils sont généralement peu onéreux à produire et peu sensibles à la baisse d'efficacité catalytique. Ils peuvent en outre être utilisés à une température élevée, ce qui les destine en particulier à la catalyse des procédés de conversion haute température (1100°C à 1400°C). Ces matériaux carbonés sont principalement issus du traitement thermique i) du charbon (obtention de charbons actifs,...), ii) de la biomasse solide (résidu carboné solide obtenu par carbonisation/pyrolyse lente et le plus souvent spontanée de la biomasse), ou iii) de gaz tels que l'acétylène, le propylène (obtention de pyrocarbones ou de suies). -2- Leur efficacité catalytique est améliorée en accentuant des caractéristiques intrinsèques telles que : - le caractère amorphe (faible organisation structurelle) et la présence d'instabilités énergétiques (valence libre, degré d'aromaticité, défaut ponctuel, lacune électronique, discontinuité, ...) qui sont propices à la formation de sites actifs ; - la surface spécifique, une grande valeur de ce paramètre induisant généralement une efficacité catalytique importante ; - le rapport (microporosité et/ou mésoporosité)/(porosité totale), les micropores et mésopores ayant pour avantage de limiter la gazéification et donc la consommation du matériau carboné, tout en participant au mécanisme d'absorption dissociative du méthane et des goudrons ; - la présence d'hétéroatomes, tels que l'oxygène ou l'hydrogène, qui peuvent former des espèces intermédiaires actives pour la conversion des polluants (en particulier des goudrons) ; - la teneur en élément inorganique, catalyseur intrinsèque de certaines réactions de reformage/destruction des goudrons. Or il est à ce jour difficile ou impossible d'ajuster voire d'optimiser une ou plusieurs des caractéristiques des matériaux carbonés de l'état de la technique précités en vue d'améliorer leur efficacité catalytique. L'optimisation catalytique pose ainsi de nombreux problèmes pour la première catégorie de matériau carboné précitée (catalyseur issu du charbon). Comme indiqué précédemment pour l'ensemble des catalyseurs carbonés, l'efficacité catalytique du charbon dépend notamment de son caractère amorphe. Par exemple, lors de la catalyse de la conversion du méthane, cette efficacité décroit lorsque l'on passe du lignite (structure amorphe) au charbon bitumineux (structure turbostratique) puis au -3- graphite (structure graphitique), comme cela est décrit dans le document Bai Z. et al, Hydrogen production by methane decomposition over coal char, International Journal of Hydrogen Energy, 2006, vol. 31, pages 899-905 .

Or, la structure d'un catalyseur carboné issu du charbon est fortement dépendante du charbon d'origine choisi pour l'élaborer. Il est en particulier très difficile d'accroître significativement le degré de caractère amorphe de ce catalyseur carboné par rapport à celui de son charbon d'origine. Concernant la surface spécifique d'un catalyseur issu du charbon, même si cette caractéristique peut être améliorée par traitement chimique (à la vapeur d'eau, au CO2, ...) comme cela est décrit dans la demande de brevet EP 1897852 (KUREHA CORP), un tel traitement n'est généralement pas compatible avec l'accroissement du rapport (microporosité et/ou mésoporosité)/(porosité totale). La quantité d'hétéroatomes de type oxygène ou hydrogène au sein du catalyseur dépendant là encore de celle du charbon d'origine, elle est généralement faible et ne peut être aisément modifiée. Enfin, la teneur en élément inorganique (tels que les cendres) est une autre caractéristique du catalyseur qui est également limitée par la nature du charbon d'origine. Afin de remédier à cela, les demandes de brevets US 4,087,378 (CARLSON DAVID H. J.) et WO/1994/000383 (MINNESOTA MINING AND MANUFACTURING COMPANY) proposent d'imprégner un charbon avec un élément inorganique. Néanmoins, ces imprégnations tendent à recouvrir les sites actifs du charbon et à en obstruer les pores, ce qui va à l'encontre de l'objectif d'augmentation de la surface spécifique et de la microporosité et/ou mésoporosité. De plus, ces procédés nécessitent des quantités de solution voire des temps d'imprégnation importants, ce qui les rend onéreux et générateurs d'effluent. -4- Pour ce qui est de la deuxième catégorie de catalyseurs précitée, les matériaux carbonés issus de la biomasse solide peuvent éventuellement avoir une teneur en hétéroatomes (tels que l'oxygène et l'hydrogène) et un degré d'aromaticité non négligeables, même si tout comme les charbons, de telles caractéristiques peuvent fortement varier selon la composition de la biomasse initiale et le traitement thermique ayant permis d'obtenir de tels matériaux.

Des imprégnations en élément inorganique ou des traitements chimiques visant à développer la surface spécifique peuvent là encore être réalisés, mais ces procédés présentent globalement les mêmes inconvénients que ceux rencontrés avec les catalyseurs issus du charbon.

Concernant la dernière catégorie de catalyseurs précitée, les catalyseurs issus du traitement thermique de charges gazeuses présentent généralement une structure graphitique développée qui est défavorable à leur réactivité intrinsèque. Les pyrocarbones ont en particulier une structure relativement isotrope. Ces catalyseurs développent par ailleurs une plus ou moins grande surface spécifique selon les paramètres du traitement thermique de fabrication. Il est enfin difficile d'assurer la présence d'hétéroatome ou d'élément inorganique au sein de ce type de catalyseurs du fait de la nature même des précurseurs (charges gazeuses). Il apparaît donc que les catalyseurs carbonés actuellement utilisés présentent une ou plusieurs caractéristiques qu'il est difficile ou impossible d'ajuster (voire d'optimiser) en vue d'accroitre leur pouvoir de catalyse, notamment vis-à-vis des réactions de destruction des matières polluantes (en particulier les goudrons) contenues dans un gaz de synthèse obtenu par gazéification de la biomasse. -5- Un but de l'invention est de proposer un dispositif permettant de produire un matériau carboné solide dont certaines caractéristiques de structure et de composition peuvent être aisément modifiées, en vue notamment d'une plus grande efficacité en tant que catalyseur des réactions de destruction des matières polluantes contenues dans un gaz de synthèse. EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif de production d'un matériau carboné solide à partir d'une biohuile, comprenant un dispositif de solubilisation pour solubiliser un gaz dans une biohuile, un dispositif de chauffe par micro-explosion comprenant une enceinte, une pluralité de vannes pour l'introduction de gaz dans l'enceinte, un dispositif de mise à feu permettant le déclenchement d'une micro-explosion dans l'enceinte et un dispositif d'évacuation pour évacuer de l'enceinte un matériau carboné solide produit à partir de la biohuile, le dispositif comprenant en outre une conduite pour acheminer la biohuile du dispositif de solubilisation vers le dispositif de chauffe. La présente invention concerne également un procédé pour la production d'un matériau carboné solide à partir d'une biohuile, comprenant les étapes de solubilisation d'un gaz dans une biohuile, d'introduction d'un mélange explosif gazeux dans une enceinte fermée, d'introduction dans l'enceinte d'une charge de biohuile contenant le gaz dissous et de provocation de l'explosion du mélange explosif gazeux.

Le dispositif de chauffe du dispositif de production de l'invention permet un chauffage rapide, voire ultra-rapide, d'une biohuile contenant du gaz dissous et de préférence additivée, qui change ainsi très rapidement de phase pour former un matériau carboné solide dont les caractéristiques peuvent être aisément contrôlées, notamment

-6- par le contrôle de la composition de la biohuile et de ses additifs éventuels, de la quantité de la nature du gaz dissous et/ou de son traitement thermique. D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention vont maintenant être précisés dans la description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes annexées. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 10 La Figure 1 représente un dispositif de production de matériaux carbonés solides selon une forme d'exécution préférentielle de l'invention. La Figure 2 illustre la production de matériau carboné solide selon l'invention en fonction des cycles de chauffe. 15 EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION En référence à la Figure 1, le dispositif de production de l'invention comprend un dispositif de chauffe 1 permettant une chauffe ultra-rapide d'une charge de 20 biohuile dans une enceinte 10, provoquant par ce traitement thermique un rapide changement de phase de la biohuile, la transformant ainsi en un matériau carboné solide aux caractéristiques déterminées par celles de la biohuile. Comme expliqué plus bas, l'énergie nécessaire à la chauffe 25 ultra-rapide de la biohuile est générée par des micro- explosions contrôlées induites dans l'enceinte 10 fermée. Le terme chauffe désigne ici un traitement thermique effectué en absence d'oxygène (thermolyse) ou en défaut de ce dernier (pyrolyse). La présence d'oxygène n'est 30 généralement pas rédhibitoire pour la production de matière carbonée à l'aide du dispositif de l'invention, tant que sa concentration ne dépasse pas quelques % (typiquement 3 %) du volume de l'atmosphère réactionnelle dans laquelle se déroule le traitement thermique. 2948298 -7- Le terme biohuile désigne une biohuile de base et/ou une biohuile additivée . Le terme biohuile de base définit un mélange dans des proportions variables de molécules pour la plupart carbonées, un tel mélange comprenant généralement un ou plusieurs éléments appartenant au groupe des phénols, des sucres, des alcools, des acides organiques. La biohuile de base peut également contenir de l'eau. La composition élémentaire moyenne de la biohuile de base peut en particulier être telle que, soumise à une température croissant à une vitesse inférieure à 100°C/minutes, cette biohuile présente généralement une variation de masse (dM/dT) dans laquelle les molécules qu'elle contient se divisent le plus souvent selon trois gammes principales de température de volatilisation (pouvant pour partie être reliées à leur masse moléculaire) comme cela est décrit par exemple dans les documents Branca C. et al., Multistep mechanism for the devolatilization of biomass fast pyrolysis oils, Industrial Eng. Chem. Research, 45, 5891 ou Garcia-Perez M. et al., Characterisation of bio-oils in chemical families, Biomass and bioenergy, vol 31 (2007) page 222-242 . A une température de 25°C, cette composition peut généralement être représentée par une formule brute du type CH1,900,7 E, les indices stoechiométriques de l'hydrogène et de l'oxygène pouvant varier à plus ou moins 30% atomique. L'élément E représente un ou plusieurs éléments, différent(s) de C, H ou O, choisi(s) par exemple parmi le groupe consistant en Si, N, K, Mg, Na et P. La valeur de l'indice s est généralement telle que la proportion massique au sein de la biohuile de base de l'élément E (ou le cas échéant de la somme des éléments E) est inférieur à 1° a. La biohuile de base, en particulier la biohuile de base d'origine synthétique telle que définie ci-après, présente généralement un caractère amorphe tel que la -8- proportion de carbone cyclique (cycle saturé ou insaturé de type aromatique) peut varier de 20% à 80% (de préférence de 30% à 70%) par rapport au nombre total d'atomes de carbone constitutifs de la biohuile de base, de telle sorte que : 0,2 < (Ccycle insaturé + Ccycle saturé)/Ctotal S 0,8

En pratique, le nombre d'atomes de carbone intégrés dans un cycle (saturé ou non) dans la biohuile de base est 10 le plus souvent inférieur (en général d'au moins 10%) à celui de tout type de charbon ou du résidu carboné solide obtenu à l'issue d'une pyrolyse de la biomasse. La biohuile peut être liquide. Cet état n'est généralement pas stable : à température ambiante, la 15 biohuile peut se figer plus ou moins rapidement, typiquement au bout d'une semaine à quelques mois en fonction des conditions de stockage (luminosité, humidité,...). Une pâte est alors obtenue. Elle constitue un état intermédiaire entre une phase liquide et une phase solide. 20 Si nécessaire, le passage de la biohuile d'un état liquide à un état pâteux peut être accéléré voire provoqué en la soumettant à une pyrolyse lente consistant généralement à appliquer une température comprise entre 100°C et 600°C selon une vitesse de montée en température de 25 100°C/s. Concernant l'origine de la biohuile de base, celle-ci peut être obtenue de différentes manières. Généralement, la biohuile de base constitue la phase liquide obtenue à l'issue d'une pyrolyse rapide d'une 30 matière condensée carbonée, en particulier une matière condensée carbonée d'origine organique. On entend par matière condensée carbonée une matière carbonée qui se présente sous forme d'une phase condensée (par exemple une phase liquide ou solide), ce qui 35 exclut en particulier une phase gazeuse.5 -9- La composition élémentaire moyenne de cette matière condensée carbonée est généralement représentée par la formule CHXOyEZ, dans laquelle 0<-x<4 et/ou 0<-y<1. E représente un ou plusieurs éléments, tel(s) que défini(s) précédemment pour la biohuile de base. La valeur de l'indice z est généralement telle que la proportion massique au sein du matériau carboné solide de l'élément E (ou le cas échéant de la somme des éléments E) est compris entre 0% et 60% de la masse sèche de la matière condensée carbonée. Préférentiellement, cette matière condensée carbonée est la biomasse (telle que la biomasse de type lignocellulosique) ou une matière condensée carbonée d'origine naturelle telle que le charbon, les boues, voire le gaz naturel ou le méthane qui sont alors liquéfiés. Dans la présente description, la biomasse recouvre toute substance organique carbonée pouvant devenir une source d'énergie (bois, végétaux, déchets organiques,...), tel que cela est défini dans l'article 2 de la Directive Européenne 2001/77/CE du 27 septembre 2001. Une pyrolyse rapide se caractérise généralement par une pyrolyse dans laquelle on applique une température comprise entre 400°C et 1000°C selon un gradient de température compris entre 100°C/s et 1000°C/s.

Il s'agit par exemple d'une pyrolyse dite pyrolyse flash dans laquelle on applique par exemple une température inférieure à 1000°C à une vitesse comprise entre 500°C/s et 1000°C/s. La biohuile de base obtenue à l'issue de la pyrolyse rapide de la biomasse est notamment décrite en termes de composition, de structure et de propriétés dans l'ouvrage Fast Pyrolysis of Biomass : A handbook, CPL Press, 2008, Bridgwater A.V. et al, ISBN-13 : 978-1872691077 [7], en particulier les chapitres 1, 2, 5, 7, 9, 11.

Alternativement, la biohuile de base est d'origine synthétique, en ce sens qu'elle résulte du mélange de

-10- molécules spécifiques incorporées aux concentrations voulues. La biohuile de base synthétique respecte tout ou partie des définitions de la biohuile de base telles que précédemment indiquées. Préférentiellement, elle simule la biohuile de base obtenue par pyrolyse rapide de la matière condensée carbonée, de préférence la biomasse, de préférence la biomasse de type lignocellulosique.

A titre d'exemple, le tableau 1 illustre la composition en masse d'une biohuile de base synthétique.

Tableau 1 Molécules % massique Phénol 11,0 Acide Acétique 23,5 Levoglucosan 6,0 Eugénol 19,0 Lignine 3,5 Acide Hexadécanoïque 8,0 Naphtalène 0,5 P-Xylène 0,5 Eau 28,0 La matière condensée carbonée (de préférence la biomasse) destinée à subir une pyrolyse rapide afin de produire la biohuile de base peut elle-même être d'origine synthétique.

Cette matière condensée carbonée synthétique simule alors préférentiellement la biomasse de type lignocellulosique : elle comprend alors généralement au moins une molécule choisie parmi le groupe consistant en la lignine (dans ses différentes formes, ou de molécules issus de sa transformation ou purification), la cellulose, l'hémicellulose, ou un produit de dégradation de ces molécules. -11- Le terme biohuile additivée désigne une biohuile contenant un ou plusieurs additif(s) et présentant une ou plusieurs caractéristiques conférées en particulier par le ou les additif(s) qu'elle contient.

Le dispositif de production de l'invention tire profit de la tendance de la biohuile à la solidification sous forme de pâte pour transmettre au matériau carboné solide tout ou partie des caractéristiques avantageuses (notamment de structure et/ou de composition) de la biohuile, en particulier de la biohuile additivée. Cette tendance à la solidification est même accentuée par la chauffe ultra-rapide de la biohuile atteinte grâce au dispositif de production de l'invention, un tel traitement thermique permettant de solidifier la biohuile tout en figeant au plus vite ses caractéristiques avant qu'elles ne se dégradent. Pour obtenir un tel effet, la chauffe de la biohuile à l'aide du dispositif de production de l'invention atteint de préférence une vitesse de montée en température entre 2000°C/s et 5000°C/s, voire supérieure à 5000°C/s. Un tel gradient de température permet un transfert optimal des caractéristiques de la biohuile, en particulier de la biohuile additivée, vers le matériau carboné solide produit par le traitement thermique.

Dans de telles conditions, le matériau carboné solide est généralement obtenu après un temps de l'ordre d'une fraction de seconde de chauffe ultra-rapide. Selon l'invention, le dispositif de production comprend un dispositif de solubilisation 2 pour solubiliser un gaz dans la biohuile avant son traitement thermique dans l'enceinte 10. Selon la variante préférentielle illustrée à la figure 1, le dispositif de solubilisation 2 comprend un réservoir 20 pouvant contenir de la biohuile 6, de préférence sous forme liquide ou pâteuse, et un agitateur 21 dont l'extrémité est placée dans le réservoir 20 afin de -12- solubiliser un gaz ou mélange gazeux alimenté par une bonbonne 23. Le réservoir 20 est de préférence fermé, et une vanne 22 permet d'y introduire le gaz ou mélange gazeux à solubiliser. La vanne 22 permet également d'introduire le gaz dans le ciel 7 du réservoir 20 afin d'imposer une pression suffisante dans le réservoir 20 pour permettre l'introduction de la biohuile dans l'enceinte 10 comme expliqué ci-dessous. Selon une variante non représentée, le gaz ou mélange gazeux destiné à être au moins partiellement solubilisé dans la biohuile est introduit dans le réservoir en-dessous de la surface de la biohuile 6, tandis que le gaz ou mélange gazeux destiné à créer une surpression dans le réservoir est introduit dans le ciel du réservoir. Les deux gaz ou mélanges gazeux ci-dessous peuvent être de même nature et provenir par exemple de la même bonbonne, ou être différents et provenir chacun d'une bonbonne différente.

Le gaz de la bonbonne 23 peut être un simple gaz vecteur (de type argon, azote,...) ou un gaz ou mélange de gaz réactif (02 ou H2 par exemple) qui lors de l'injection de la biohuile dans l'enceinte 10 sera détendu et mélangé dans l'atmosphère de cette enceinte générant un fractionnement supplémentaire de la biohuile par simple détente et pour l'explosion générée. L'introduction du gaz ou mélange gazeux dans le réservoir 20 fermé permet de contrôler la nature et la pression de l'atmosphère dans ce dernier.

Selon une variante d'exécution, la biohuile est également émulsionnée dans le réservoir 20, par exemple à l'aide de l'agitateur 21. Selon une variante, le mélange gazeux solubilisé dans la biohuile 6 comprend un mélange gazeux explosif afin de provoquer des micro-explosions à l'intérieur de la biohuile lors de son traitement thermique pour augmenter la surface

-13- d'échange entre la biohuile et le milieu (gaz explosif) fournissant la chaleur nécessaire à la solidification de la biohuile. Selon cette variante non représentée, le réservoir 20 comprend par exemple plusieurs vannes permettant l'introduction simultanée ou alternée des différents gaz constituant le mélange explosif. Le dispositif de solubilisation 2 décrit ci-dessus est donné à titre d'exemple illustratif, mais nullement limitatif. D'autres dispositifs de solubilisation sont envisageables dans le cadre de l'invention pour solubiliser un gaz ou mélange gazeux dans la biohuile avant son traitement thermique. Le dispositif de production de l'invention comprend également une conduite 3 pour acheminer la biohuile contenant le gaz solubilisé du dispositif de solubilisation 2 vers le dispositif de chauffe 1. Selon la variante illustrée à la figure 1, la conduite 3 est une conduite fermée se terminant en une entrée de charge 30 dans l'enceinte 10. L'entrée de charge 30 est disposée de préférence dans la partie supérieure de l'enceinte 10, de sorte que la biohuile introduite dans l'enceinte 10 y coule sous l'effet de la gravité. De préférence, la biohuile est déplacée dans la conduite 3 en direction de l'enceinte 10 sous l'effet d'une surpression créée dans le réservoir 20. La surpression est créée par exemple par l'ouverture de la vanne 22 et l'introduction dans le réservoir 20 du gaz ou mélange gazeux contenu dans la bonbonne 23. Le débit et la quantité de biohuile introduite dans l'enceinte 10 est de préférence contrôlée par une vanne 31 disposée sur la conduite 3. D'autres formes de conduites sont toutefois envisageables dans le cadre de l'invention pour transporter la biohuile contenant le gaz solubilisé vers le dispositif de chauffe 1.

Selon l'invention, des micro-explosions contrôlées sont induites dans l'enceinte 10 pour chauffer une charge de -14- biohuile contenant le gaz solubilisé et la transformer en un matériau carboné solide. Ces micro-explosions sont par exemple le résultat de la combustion ultra-rapide d'un mélange gazeux explosif. Selon la variante préférentielle illustrée, des vannes 11, 12 permettent l'introduction des gaz formant le mélange gazeux explosif. Le mélange gazeux explosif est constitué par exemple de méthane ou de tout autre alcane d'une part, et d'oxygène ou d'air d'autre part. D'autres mélanges gazeux explosifs sont également envisageables dans le cadre de l'invention. Le dispositif de chauffe 1 comprend un dispositif de mise à feu pour le déclenchement des micro-explosions contrôlées. Selon la forme d'exécution illustrée, le dispositif de mise à feu comprend par exemple une électrode 14 disposée à l'intérieur de l'enceinte 10 et un générateur de tension électrique 15. Le générateur de tension 15 est relié d'une part à l'électrode 14 et d'autre part à l'entrée de charge 30 afin de générer une différence de potentiel entre ces deux éléments. Selon cette forme d'exécution, l'entrée de charge 30 est de préférence séparée du reste de la conduite 3 par une section en matériau isolant 31' et par la vanne 31 qui est également isolante. L'entrée de charge 30 est de préférence également isolée de l'enceinte 10 par un élément isolant 31". L'entrée de charge 30 est ainsi isolée électriquement du reste de la conduite 3 et de l'enceinte 10. L'électrode 14 est de préférence située sous l'entrée de charge 30, de sorte que la biohuile se dirige vers l'électrode 14 lors de son introduction dans l'enceinte 10. L'électrode 14 est de préférence isolée électriquement de l'enceinte 10 par un élément en matière isolante 31"'. Selon cette forme d'exécution, lorsqu'une tension électrique est appliquée entre l'entrée de charge 30 et l'électrode 14, la biohuile introduite dans l'enceinte 10 par l'entrée de charge 30 est chargée électriquement à un

-15- potentiel proche de celui de l'entrée de charge 30. La différence de potentiel générée par le générateur de tension 15 est dimensionnée de sorte que lorsque le jet de biohuile introduite dans l'enceinte 10 est à une distance déterminée de l'électrode 14, par exemple une distance très faible, inférieure au millimètre, une décharge électrique se fait entre la biohuile et l'électrode 14, créant une étincelle qui provoque l'explosion du mélange gazeux explosif préalablement introduit dans l'enceinte 10.

Selon une variante, le dispositif de mise à feu comprend une zone d'impact 140 disposée sous l'entrée de charge 30. L'explosion est alors provoquée par l'onde de choc produite par l'impact du jet de biohuile sur la zone d'impact 140.

Comme illustré à la figure 1, la zone d'impact 140 peut être formée sur l'électrode 14 et ainsi être mise au potentiel électrique de la borne correspondante du générateur 15 afin de garantir l'ignition de l'atmosphère explosive de l'enceinte 10 par la combinaison des mécanismes déclencheurs mentionnés plus haut. D'autres dispositifs de mise à feu sont cependant envisageables dans le cadre de l'invention. Selon une variante non illustrée, le dispositif de mise à feu comprend par exemple un générateur et deux électrodes disposées dans l'enceinte pour provoquer une étincelle et déclencher l'explosion après qu'une quantité déterminée de biohuile (charge) a été introduite dans l'enceinte. Le dispositif de chauffe 1 comprend en outre de préférence une pompe 19 reliée à l'enceinte 10 via une vanne 190 pour évacuer les gaz résultants de l'explosion, ainsi qu'une vanne 16 permettant l'introduction après chaque micro-explosion de dioxyde de carbone dans l'enceinte 10 pour la refroidir rapidement, et permettre ainsi que le dispositif de chauffe 1 soit rapidement opérationnel pour un nouveau cycle de traitement thermique. -16- Le dispositif de chauffe 1 comprend également un dispositif de collecte pour collecter le matériau carboné solide produit par le traitement thermique de la biohuile. Ce dispositif de collecte est par exemple un fond conique 50 de l'enceinte 10 dans lequel le matériau carboné solide produit est rassemblé sous l'effet de la gravité. Après un ou plusieurs cycles de chauffe, la matière produite est évacuée, par exemple par le démontage de l'enceinte 10 et le vidage du dispositif de collecte. Selon la forme d'exécution illustrée, pour vider le fond conique et évacuer le matériau carboné solide produit, l'électrode 14 est sortie de son logement, par exemple de l'élément isolant 31"', et le matériau carboné solide est poussé au travers de l'ouverture ainsi formée.

D'autres dispositifs de collecte sont toutefois possibles dans le cadre de l'invention, il est en particulier possible d'envisager un dispositif de collecte collectant et évacuant automatiquement le matériau carboné solide produit après chaque cycle de chauffe.

Selon une forme d'exécution préférentielle, le dispositif de chauffe 1 de l'invention fonctionne selon le cycle suivant : - l'enceinte 10 est inertée par l'ouverture de la vanne 13 permettant l'introduction d'un gaz non inflammable ou inerte, par exemple du dioxyde de carbone, puis elle est mise sous vide par l'ouverture de la vanne 190 à l'aide de la pompe 19 ; - optionnellement, du gaz non inflammable complémentaire est ensuite réintroduit dans l'enceinte 10 par la vanne 13 ; - le mélange explosif gazeux est introduit par l'ouverture des vannes 11 et 12 ; une charge de biohuile contenant du gaz solubilisé est introduite par l'entrée de charge 30 dans l'enceinte 10 ; - l'explosion du mélange explosif gazeux est provoquée ; -17- - l'enceinte 10 est purgée par l'actionnement de la pompe 19 et l'ouverture de la vanne 190, le matériau carboné solide créé par la chauffe ultra-rapide de la charge de biohuile est collecté et la vanne 16 est ouverte, permettant l'introduction de dioxyde de carbone, la détente du dioxyde de carbone dans l'enceinte 10 provoquant un abaissement brutal de la température, permettant ainsi la réalisation d'un nouveau cycle de traitement thermique dans un délai très court.

La figure 2 illustre la production de matériau carboné solide en fonction des cycles de traitement thermique. Dans le graphique supérieur, les pointes 4 représentent par exemple les impulsions électriques provoquant le déclenchement d'une explosion, tandis que la courbe 5 représente l'évolution dans le temps de la température à l'intérieur de l'enceinte du dispositif de chauffe. Le début 50 de la baisse rapide de la température correspond à l'introduction de dioxyde de carbone. La courbe 6 du graphique inférieur illustre la quantité de matériau carboné solide en fonction des cycles de traitement thermique, le matériau carboné solide ainsi produit s'accumulant par exemple dans le dispositif de collecte jusqu'à son évacuation de l'enceinte. De préférence, le gradient de température de la chauffe ultra-rapide est compris entre 2000°C/s et 5000°C/s afin d'atteindre une vitesse de solidification très élevée de la charge de biohuile. Un tel gradient permet un transfert optimal des caractéristiques précitées de la biohuile, en particulier de la biohuile additivée, vers le matériau carboné solide, voire le cas échéant la création de micro-explosions (la vitesse de volatilisation de certaines molécules de la biohuile additivée devenant plus faible que la vitesse d'absorption de l'énergie thermique par cette même biohuile) conduisant au fractionnement de la biohuile additivée, ce qui accentue les effets avantageux de la -18- solidification rapide provoquée par un gradient de température élevé. La température atteinte et le gradient de température dépendent de la nature du mélange explosif introduit dans l'enceinte 10, de la proportion de gaz inerte constituant au besoin un puits calorifique, et de la quantité de gaz carburants, la présence de ces derniers étant optionnelle. D'une manière générale, la quantité de gaz explosif est choisie de telle sorte qu'il ne puisse y avoir consommation de la biohuile du fait de l'explosion, c'est-à-dire qu'il y ait dans l'enceinte 10 une sous stoechiométrie du comburant vis-à-vis du carburant que pourrait constituer la biohuile, à savoir que le nombre de mole de gaz comburant présent dans le réservoir 10 ne soit pas supérieur au nombre de mole du gaz carburant (explosif) présent également dans le réservoir 10 dans le cas où ces gaz réagissent mole à mole. Dans le cas où il ne réagirait pas mole à mole (i.e. une mole de gaz comburant réagit avec une mole de gaz carburant), la sous-stoechiométrie prend en compte ce rapport molaire. Par ailleurs, un mélange gazeux réagissant plus vite qu'un liquide du fait de son état plus dispersé, la biohuile ne sera pas consommée après l'explosion. La température maximale théorique Tf pouvant être atteinte dans l'enceinte 10 peut être approchée par l'équation suivante : Tf = T° + AH/E(Cpi) où . - T° est la température initiale des gaz dans l'enceinte 10 ; - AH représente l'enthalpie de combustion du gaz carburant choisi pour la micro-explosion ; - Cpi sont les capacités calorifiques des produits de la réaction (intégrant également les gaz inertes utilisés comme éventuels puits calorifiques).

Comme expliqué plus haut, il est important d'introduire dans l'enceinte 10 un défaut de comburant par

-19- rapport à la charge de biohuile à traiter afin d'éviter une combustion complète de cette dernière, auquel cas il ne subsisterait que de l'eau et du gaz carbonique. Le traitement thermique s'effectue donc de préférence en conditions de sous-stoechiométrie vis-à-vis de la biohuile. Selon une variante de l'invention, les dimensions de l'enceinte 10 sont les suivantes : - Diamètre de l'enceinte 10 : 10 cm ; - Volume de l'enceinte 10 : 1 litre ; - Capacité de production de matériau carboné : 50 g/h ; - Diamètre de l'entrée de charge 30 : 2 mm ; - Rapport mélange explosif sur gaz inerte : 3/7 ; - Gaz explosif utilisé : 33% CH4 et 66% 02 ; - Pression de remplissage : 1 bar.

Avantageusement, l'état sous lequel se présente la biohuile (en particulier l'état liquide) est favorable à l'absorption optimale de l'énergie thermique nécessaire à sa solidification rapide. De préférence, la température minimale atteinte au cours de la chauffe à l'aide du dispositif de production de l'invention est de 100°C, température à partir de laquelle se produit la vaporisation de l'eau et donc la solidification de la biohuile. La température minimale pouvant être atteinte au cours de la chauffe de vitesse élevée est généralement celle à partir de laquelle toute la biohuile additivée est pyrolysée, à savoir le plus souvent une température de 500°C à 600°C à laquelle tous les dérivés lignitiques ont été carbonisés.

La température maximale de la chauffe de vitesse élevée n'a pour seule limite que la destruction par sublimation du matériau carboné solide. Toutefois, cette température maximale est préférentiellement de 2000°C (température de graphitisation du carbone à pression atmosphérique) afin de conserver au mieux le caractère amorphe du matériau carboné solide. -20- La température appliquée au cours de la chauffe de vitesse élevée est ainsi le plus souvent comprise entre 500°C et 2000°C. Préférentiellement, la température maximale de la chauffe de vitesse élevée est fixée de telle sorte qu'au moins un des éléments inorganiques contenus dans la biohuile additivée ne se volatilise pas complètement. Encore plus préférentiellement, cette température maximale est inférieure à 1300°C-1400°C, température au-delà de laquelle les composés comprenant de l'hydrogène et/ou de l'oxygène se volatilisent généralement tous et le matériau carboné solide se densifie par disparition de sa porosité. Bien entendu, ces valeurs de températures minimale et maximale sont données à pression atmosphérique. L'homme du métier saura les adapter en fonction de la pression de mise en oeuvre du procédé de fabrication de l'invention.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1) Dispositif de production d'un matériau carboné solide à partir d'une biohuile, comprenant : a) un dispositif de solubilisation (2) pour solubiliser un gaz dans ladite biohuile ; b) un dispositif de chauffe (1) par micro-explosion comprenant : - une enceinte (10) ; - une pluralité de vannes (11, 12, 13, 16) pour l'introduction de gaz dans ladite enceinte (10) ; - un dispositif de mise à feu (14, 15, 140) permettant le déclenchement d'une micro-explosion dans ladite enceinte (10) ; - un dispositif de collecte (17) pour collecter et/ou évacuer de ladite enceinte (10) un matériau carboné solide produit à partir de ladite biohuile ; c) une conduite (3) pour acheminer ladite biohuile dudit dispositif de solubilisation (2) vers ledit dispositif de chauffe (1), ladite conduite (3) étant terminée par une entrée de charge (30) dans ladite enceinte (10) pour introduire ladite biohuile dans ladite enceinte (10).
2. 2) Dispositif de production selon la revendication 1, ladite entrée de charge étant isolée électriquement du reste de ladite conduite (3) et de ladite enceinte (10), ledit dispositif de mise à feu (14, 15) comprenant une électrode (14) et un générateur de tension électrique (15) pour générer une différence de potentiel électrique entre ladite électrode (14) et ladite entrée de charge (30).
3. 3) Dispositif de production selon l'une des revendications précédentes, ledit dispositif de mise à feu-22- comprenant une zone d'impact (140) disposée dans ladite enceinte (10) sous ladite entrée de charge (30).
4. 4) Dispositif de production selon l'une des revendications précédentes, comprenant une pompe (19) pour évacuer les gaz présents dans ladite enceinte (10).
5. 5) Dispositif de production selon l'une des revendications précédentes, ledit dispositif de solubilisation (2) comprenant un réservoir (20) pour contenir ladite biohuile (6) et un agitateur (21) au moins partiellement disposé dans ledit réservoir (20) pour agiter ladite biohuile (6).
6. 6) Dispositif de production selon la revendication précédente, ledit réservoir (20) étant fermé et comprenant une vanne (22) pour l'introduction d'un gaz ou d'un mélange gazeux (7) dans ledit réservoir (20).
7. 7) Procédé pour la production d'un matériau carboné solide à partir d'une biohuile, comprenant les étapes suivantes : - solubilisation d'un gaz dans la biohuile ; - introduction d'un mélange explosif gazeux dans une enceinte (10) fermée ; - introduction dans ladite enceinte (10) d'une charge de biohuile contenant ledit gaz solubilisé ; - provocation de l'explosion dudit mélange explosif gazeux.
8. 8) Procédé selon la revendication précédente, comprenant en outre une étape préliminaire d'inertage de ladite enceinte par l'introduction d'un gaz inerte dans ladite enceinte (10).35 -23-
9. 9) Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8 comprenant en outre une étape préliminaire de mise sous vide de ladite enceinte (10).
10. 10) Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, comprenant en outre une étape d'introduction de gaz inerte dans ladite enceinte (10) pour diluer ledit mélange gazeux explosif.
11. 11) Procédé selon l'une des revendications 7 à 10, comprenant en outre une étape d'introduction de gaz carburant avant ladite étape de provocation de l'explosion.
12. 12) Procédé selon l'une des revendications 7 à 11, comprenant en outre une étape de purge de ladite enceinte par le pompage des résidus de ladite explosion et l'introduction de dioxyde de carbone dans ladite enceinte (10).
13. 13) Procédé selon l'une des revendications 7 à 12, ladite explosion étant provoquée dans des conditions de sous-stoechiométrie dudit mélange explosif gazeux vis-à-vis de ladite charge de biohuile.