FR2987843A3 - Composition de combustible solide de fabrication plus respectueuse de l'environnement et integrant la valorisation de sous-produits de l'industrie agro-alimentaire. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une composition de combustible solide comprenant en mélange du marc de café usagé et au moins un agent cellulosique. Selon l'invention, l'agent cellulosique comprend des pellicules de grains de café. L'invention trouve application dans le domaine des compositions de combustible solide.

Description

L'invention concerne une composition de combustible solide comprenant en mélange du marc de café usagé et au moins un agent liant cellulosique. Le bois utilisé comme combustible depuis toujours 5 est considéré aujourd'hui comme une matière noble dont on s'efforce de réduire la consommation pour des raisons environnementales. La sciure de bois elle-même, qui était à l'origine un déchet non valorisé de menuiseries, voit sa 10 consommation augmenter du fait de la fabrication de meubles en panneaux mélaminés et de la fabrication de granulés de sciure de bois. Ces consommations sont devenues si importantes que la production de sciure de bois comme déchet par les 15 menuiseries est devenue insuffisante pour répondre aux besoins et qu'il est aujourd'hui nécessaire de produire cette sciure de bois comme matière première au mépris des préconisations visant à diminuer la consommation de bois. Son coût ne cesse donc d'augmenter et l'impact 20 environnemental de s'alourdir. Le marc de café usagé comme base de fabrication de granulés ou buches de combustion est connu comme une alternative intéressante au bois. Il constitue en effet un sous-produit non valorisé 25 par les torréfacteurs qui est en conséquence d'un prix relativement modeste et présente des propriétés de combustion comparables voire meilleures que le bois en terme notamment de durée de combustion et de ratio fraction volatile/carbone fixe. 30 Dans le document US 5 910 454, on le mélange généralement à un liant, en l'occurrence de la cire, pour assurer la cohésion lorsque la composition se présente sous la forme de buches. Et pour les granulés à base de marc de café, on 35 utilise une composition incluant entre 0 et 30% d'un liant, qui est de la cire de paraffine, et entre 0 et 25% en poids de matière cellulosique.

Cette matière cellulosique est de la sciure de bois, choisie pour son ratio fraction volatile/fraction fixe plus faible afin d'améliorer le contrôle de la combustion.

Ce faisant cependant, on utilise justement le composé dont on souhaite réduire la consommation pour des considérations environnementales. L'invention vise à pallier cet inconvénient. A cet effet, l'invention concerne une composition 10 de combustible solide comprenant en mélange du marc de café usagé et au moins un agent cellulosique. Selon l'invention, l'agent liant cellulosique comprend des pellicules de grains de café. Les pellicules de grains de café sont des sous-15 produits nécessairement générés lors de la torréfaction du café, qui sont usuellement aspirées, récupérées et éliminées au sein d'une déviation crée à cet effet, car hautement inflammable. En les recyclant comme l'un des constituants du 20 combustible à base de marc de café selon l'invention, on cesse ainsi de consommer de la sciure de bois en utilisant à la place un sous-produit qui n'était jusqu'ici pas valorisé. On évite en outre la destruction couteuse en 25 énergie de ces pellicules, tout en supprimant le danger qu'elles représentent, en les transformant. De plus, ces pellicules sont récupérées au même endroit que le marc de café, ce qui diminue les coûts liés au transport des constituants de la composition 30 selon l'invention vis-à-vis de celle du document de l'art antérieur utilisant trois constituants (marc de café, sciure de bois et cire) issus d'usines de production différentes. L'invention peut présenter d'autres 35 caractéristiques, parmi lesquelles : - la proportion de pellicules de grains de café dans la composition est inférieure ou égale à 25% en poids, - la proportion de pellicules de grains de café 5 dans la composition est inférieure ou égale à 5% en poids, - la proportion de pellicules de grains de café dans la composition est inférieure ou égale à 2% en poids, 10 - la proportion restante de la composition est du marc de café, - le fait que la composition se présente sous la forme de granulés ou de buchettes, - et qu'elle présente un taux d'humidité proche de 15 15%. L'invention concerne également un procédé de fabrication de la composition ci-dessus, dans lequel : - on sèche à l'étuve du marc de café usagé, 20 - on mélange le marc de café séché avec des pellicules de grains de café, - on humidifie à 15% le mélange obtenu, - on granule le mélange humidifié sur une filière. 25 L'invention concerne une composition de combustible solide comprenant en mélange du marc de café usagé et des pellicules de grains de café. Elle est destinée à la fabrication de granulés ou pellets de chauffage notamment utilisés comme combustible 30 pour chaudière industrielle. Certains grains de café sont recouverts d'une fine pellicule argentée ou spermoderme, très chargée en caféine, et qui quitte ces grains de café pendant le procédé de torréfaction. 35 Ce sont ces pellicules qui sont récupérées et utilisées comme liant des grains de marc de café au sein de la composition selon l'invention, sans ajout de cire.

On fixe la teneur massique de ces pellicules comme inférieure ou égale à 25% massique car au-delà, les propriétés de combustion intéressantes du marc de café seraient détériorées.

Conformément aux essais expérimentaux menés et exposés ci-dessous, qui ont consisté en l'évaluation de la performance environnementale et énergétique de la combustion de différents pellets au sein d'une chaudière de faible puissance à granulés biomasse, on obtient une bonne granulation et une combustion totale pour des granulés à base de marc de café et contenant des pellicules de café comme agent liant. 1. Granulation Les conditions opératoires suivantes ont permis la mise en forme de granulés à base de marc de café : Référe e Compos:tion et conditions ot.é.armires L;Di 2 Marc de café frais seul sec-hé à l'étuve `,-:-C, 4Sh. 7.Sq T-Tnt hum:dfié à 15c:c puis -granulé avec la finè.:-e de 26 rtn avec comme ré .z,' e : f=5,Jitz et- T'=65-717)"C Lot 3 :\ larc de café frais seul .. , à l'étuve -:-.C, -sn. - Hurril. humidifié a 13(.c puis granulé avec la fi iè:.e. de 2.6 ',--., avec comme rég.age : f=50hz et r=6,5-75T Lot 4 ...\1t,.rc de café fr.1 séché à l'étuve -.. C. .4 , : - Ham). ::1é]an avec des pelilcules c en masse}. iitLi:)idifie 1 .c puis gii - avec la filiere t _ - '--) avec et-1 ,- :d ?La . f=i0hz et T'.60-6.5."C Lot 5 "'_\ hitro de café frais séché à l'étuve '11. t:- - Hunti. mélange avec .Jes pelLcules ,;2(-7i- en masset. hum:c: :e a 15rc puis Grariu avec la filiere de 26 mrn avec comme re ,. .- : :-=-50hz el T-=-6...,-6S:C. Lot 6 i\ larc de café frais séché à l'étuve i.-.' C. -Sn. 5.6c7c Hum métallo-é avec de :a sciure de bo:s ,.5't- en massei. huitudifié à 15 , "dais grt.tnu:é avec - filière de 26. --,-:) avec comme re i , :1-..50hz et T.:=6 - 'C Un premier type de granulés incluant 95% de marc de café et 5% de pellicules de grains de café (lot n°4) a été préparé, avec le procédé suivant comprenant : - une étape de séchage du marc de café en étuve à par exemple 75°C, pendant environ 48 heures pour atteindre un taux d'humidité de 3.7%, - une étape de mélange du marc de café séché avec les pellicules de grains de café, - une étape d'humidification à 15% du mélange obtenu, - une étape de granulation avec une filière de 26 mm réglée à une fréquence de 50 Hz et à une température comprise entre 60 et 65°C. Un deuxième type de granulés incluant 98% de marc de café et 2% de pellicules de grains de café (lot n°5) a été préparé avec un procédé similaire au procédé ci-dessus en séchant cependant le marc de café pour atteindre un taux d'humidité de 1.4% lors de l'étape de séchage et une température comprise entre 62 et 68°C lors de l'étape de granulation. D'autres lots ont été préparés avec du marc de café seul (lots n°2 et 3), et du marc de café mélangé à de la sciure de bois (lot n°6), conformément au tableau ci- dessus. Ces lots n°2, 3 et 6 permettent de servir de comparaison aux granulés des lots n°4 et 5 selon l'invention.

D'autres points de comparaison aux granulés selon l'invention sont constitués par les valeurs seuils de la norme NF pour granulés 100% bois : « Agro Qualité Haute Performance ® » et « Agro Qualité Industrielle ®». 2. Résultats expérimentaux 2.1. Comparaison avec les autres lots testés a) teneurs en eau, en cendres, PCS La teneur en eau, la teneur en cendres, le PCS (pouvoir calorifique supérieur) ainsi que la densité de chaque formulation de granulés ont été mesurés 24 heures après préparation de ces derniers de sorte que le taux d'humidité ait le temps de se stabiliser. Les résultats obtenus sont présentés dans les tableaux ci-dessous. Tableau 1 : Teneur en eau et en cendres des marcs de café des différents lots 2 à 6, de la sciure de bois du lot 6 10 et des pellicules de grains de café des lots 4-5. Référence Teneur en eau Teneur en PCS (kJ/kg) (% massique) cendres (% massique) Lot 2 7,8 2,07 Lot 3 7,5 1,98 Lot 4 3,7 2,55 Lot 5 1,4 2,19 Lot 6 5,6 2,3 Sciure de bois 8,3 0,19 18 438 Pellicules 8,9 4 à 7 16 911 Tableau 2 : Teneur en eau et en cendres des 15 granulés des différents lots 2 à 6 Référence Teneur en Teneur en PCS PCS eau cendres (kJ/kg) (kWkg) (% massique) (% massique) Lot 2 11,78 1,82 19 552 5,43 Lot 3 8,95 2,07 20 068 5,57 Lot 4 12,04 2,20 19 008 5,28 Lot 5 11,59 2,16 19 101 5,30 Lot 6 10,21 2,04 19 386 5,38 On obtient en terme de teneur en eau des résultats qui approchent la teneur optimale de 8 à 11% en poids permettant aux granulés de ne pas s'effriter tout en évitant la formation de moisissures (respectivement 12,04 et 11,59% en poids pour les lots 4 et 5 selon l'invention). Et ces teneurs peuvent facilement être encore réduites en séchant le marc de café en étuve avant la préparation des granulés. b) teneur en hydrogène et PCI (pouvoir calorifique inférieur) Le pourcentage massique en hydrogène dans les formulations de granulés est estimé à partir des teneurs massiques élémentaires et de composition du marc de café (C : 39,3% ; H : 5,78% ; Cl : 73 ppm ; S : 0,24% ; P : 0,15 % ; Taux d'humidité : 46,74% ; teneur en cendres : 1,94 %) en recalculant la teneur massique en hydrogène dans le marc de café en fonction du taux d'humidité des granulés formulés. Dans le cas des mélanges de biomasses (marc de café et sciure de bois pour le lot 6 et marc de café et pellicules de grains de café pour les lots 4 et 5), une incertitude est accordée car la composition élémentaire des autres biomasses n'est pas connue. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 5. En première estimation (c'est à dire à partir de la composition élémentaire du marc de café), on peut 30 calculer le PCI des différents granulés à partir de la relation suivante : PCI IPCS X. (1 - 2,444 H x 3, -/1M.' avec : 35 - Hum : pourcentage massique d'eau dans le combustible en base humide - H : pourcentage massique d'hydrogène dans le combustible en poids sec Tableau 3 : Valeurs estimées du PCI des différents granulés préparés Référence H PCI (kJ/kg) PCI (kW/kg) (% massique) Lot 2 9,57 15 117 4,20 Lot 3 9,88 16 089 4,47 Lot 4 9,54 14 593 4,05 Lot 5 9,59 14 752 4,10 lot 6 9,74 15 247 4,23 Les PCI des lots 4 et 5 dont les granulés incluent des pellicules de café sont légèrement plus faibles que ceux des granulés à 100% de marc de café ou contenant du marc de café et de la sciure de bois. Mais ils restent comparables à ceux-ci (écart maximal de 7%). c) densité Les densités de chacun des lots ont été déterminées sur 5 échantillons de chaque référence de sorte à disposer d'une valeur approchée de la valeur moyenne. Les valeurs calculées sont reportées dans le tableau suivant. Référence Densité Ecart type sur la mesure Lot 2 1,211 0,0086 Lot 3 1,255 0,0245 Lot 4 1,198 0,036 Lot 5 1,255 0,0271 Lot 6 1,212 0,0119 20 Les granulés du lot 4 (5% de pellicules de grains de café) selon l'invention sont les moins denses des granulés testés, donc les plus aérés et aptes à définir une meilleure combustion. 2.2. Comparaison avec des granulés ayant obtenus le label NF Granulés Biocombustibles® Les granulés Agro Qualité Haute Performance® et Agro Qualité Industrielle®, d'origine agricole et constitués de céréales déclassées notamment impropres à la consommation, de « sous-produits » de cultures ou d'activités de transformation : paille, fanes de pois ou d'arachide, son, tourteaux de colza..., respectent la norme NF Granulés biocombustibles® dont les exigences sont reprises dans les deux premières colonnes du tableau ci-dessous. Caractéristiques Agro Qualité Haute Agro Qualité Lot n°4 Lot n°5 Performance® Industrielle® Humidité sur < 11 < 15 12.04 11.59 brute (%) PCI (MJ/kg) > 15.8 > 14.5 14.6 14.8 Taux de cendres < 5 < 7 2.20 2.13 (% en masse sur produit sec) Comme visible à la lecture des deux dernières colonnes du tableau ci-dessus, les granulés à base de marc de café et pellicules de café des lots 4 et 5 selon l'invention présentent des caractéristiques qui leurs sont tout à fait comparables.

Les formulations de granulés réalisées dans le cadre de cette étude à partir de marc de café et de pellicules de grains de café, présentent toutes des caractéristiques permettant de s'approcher du label Biocombustible NF granulés Agro Qualité Haute Performance®. 2.3. Tests de combustion L'ensemble des formulations a été utilisé pour des tests de combustion dans des conditions permettant de comparer l'impact des formulations sur les émissions gazeuses, ainsi que sur le rendement énergétique de la chaudière par rapport à un combustible de référence (granulés de bois DIN+ C)) dont les caractéristiques sont présentées dans le tableau ci-dessous illustrant l'analyse élémentaire et les caractéristiques des granulés de bois (DIN+) : Granulés DIN+ C H N S Teneur en % 47,06 6,10 <0,10 <0,10 Granulés DIN+ Taux Taux de PCS (kJ/hg) PCI (kJ/kg) d'humidité cendre (%) (%) 7,9 0,3 19200 17600 Les tests de combustion ont été menés sur des durées de 20 minutes en limitant la vitesse d'amenée du 20 combustible de sorte à pouvoir mener deux tests consécutifs sur chaque formulation. L'acquisition des données a été réalisée suite à la stabilisation des températures de départ et de retour du circuit d'eau de l'échangeur de la chaudière. Pour chaque 25 formulation un bilan a été réalisé sur les émissions gazeuses ainsi que sur le rendement de l'installation. Voici les résultats obtenus sur chacun des lots préparés ainsi que sur les granulés de référence. - puissance de travail de la chaudière Le tableau suivant illustre les caractéristiques de la puissance de travail de la chaudière en présence des granulés : DIN+ Lot 2 Lot 4 lot 5 moyennes moyennes moyennes moyennes Consommation de granulés (kg/h) 1,87 2,33 2,25 2,28 Puissance utile nominale (kW) 7,78 8,28 6,97 7,08 Débit calorifique (kW) 9,13 9,80 9,10 9,34 Rendement de la chaudière (%) 85,24 74,28 76,55 75,75 T° départ (eau chaude) en °C 69,26 66,70 69,12 67,10 T° départ (eau froide) en °C 54,28 52,83 55,73 53,62 T° de fumée en °C 106,8 109,6 106,3 108,9 débit d'eau en L/h 446 452 448 452 Au regard des résultats obtenus sur les différentes formulations de granulés de biomasses à base de marc de café, le premier constat que l'on peut faire concerne la qualité globale de la combustion. Celle-ci est moins bonne en présence de marc de café (lots 2, 4 et 5) que lorsque l'on brûle des granulés de bois seuls (DIN+®), ceci aussi bien en termes de rendement énergétique qu'en termes d'émissions gazeuses et particulaires. En effet, le rendement obtenu avec les granulés de bois atteint 85% alors que le rendement obtenu en présence de marc de café se situe entre 74.28 (lot 2) et 76.55% (lot 4). Même si cet écart est en partie lié à la nature même du combustible, il faut souligner que la technologie de combustion utilisée (brûleur à coupelle) a été développée spécifiquement pour les granulés de bois et donc par rapport à leurs caractéristiques.

La densité des granulés joue donc un rôle non négligeable lors de la combustion des granulés. Elle est élevée pour les granulés à base de marc de café (comprise entre 1,198 et 1,255) alors qu'elle reste faible pour les granulés de bois (environ 0,7). Cette différence entraîne une diffusion plus facile de l'oxygène dans les granulés de bois et donc une combustion plus complète.

L'utilisation d'un système de combustion plus adapté, tel que celui utilisé dans les chaudières à grilles, permettrait d'améliorer de façon significative le rendement de la combustion et également la qualité des fumées en sortie d'installation.

En comparant les lots de granulés à base de marc de café entre eux, toujours en termes de rendement énergétique, il s'avère que ceux contenant des pellicules de café selon l'invention présentent un rendement énergétique supérieur par rapport à ceux qui en sont dépourvus (76.55% et 75.75% pour les lots 4 et 5 incluant des pellicules de grains contre 74.28% pour le lot 2 à base de marc de café pur). - Emissions gazeuses Valeurs moyennes des teneurs en gaz émis par la chaudière en présence de granulés DIN+ corrigées à 13% de 02, et concentration massique en particules : DIN+ Lot 2 Lot 4 lot 5 Corrections à 13% 02 concentrations concentrations concentrations concentrations CO (ppm) 153 1785 2187 2039 CO (mg/Nm3) 191 2231 2734 2549 NO (ppm) 45 178 208 157 NO (mg/Nm3) 60 238 279 210 NO2 (ppm) 0,3 28 12 27 NO2 (mg/Nm3) 0,6 57,5 25 55 Cxliy (ppm) 153 539 611 700 CO2 (%) 5,87 5,87 5,87 5,87 CO2 (mg/Nm3) 115 303 115 303 115 303 115 303 Particules (mg/Nm3) 114 638 1532 700 Si on compare les tests de combustion menés sur les différentes formulations de granulés, on s'aperçoit que dans tous les cas, la présence d'azote de constitution (issu des protéines se trouvant dans le marc de café) entraîne la formation de monoxyde et de dioxyde d'azote. La présence dans les granulés de pellicules à un taux supérieur à 5% entraîne une augmentation du niveau d'émission de NO vis-à-vis de granulés à base de marc de café pur. Dans les installations où le niveau d'émission de NO doit être bas, il vaudrait donc mieux utiliser des pellicules à un taux inférieur ou égal à 5%. Par contre, à un taux de 2% de pellicules de grains de café, on observe une diminution d'émission de NO et NO2 vis-à-vis de granulés de marc de café pur (210 mg.N-lM-3 de NO pour le lot 5 avec 2% en poids de pellicules contre 238 mg.N-1-m-3 pour le lot 2 sans pellicule, et 55 mg.N-1-m-3 de NO2 pour le lot 5 avec 2% en poids de pellicules contre 57.5 mg.N-1-m-3 pour le lot 2 sans pellicule, voir tableau 11). Les taux de monoxyde de carbone (CO) et de composés organiques volatils (COV) présents dans les fumées sont également bien plus élevés lorsque l'on utilise du marc de café comme combustible que lorsqu'on utilise de la sciure de bois. Ces émissions sont synonymes d'une combustion incomplète, voire de la présence de molécules organiques difficilement oxydables dans ces conditions. Une fois de plus, un système de combustion plus adapté permettrait de pallier ce type de problème par une 30 simple augmentation de la température du foyer. La composition décrite ci-dessus peut se présenter sous la forme de granulés ou de bûches ou buchettes de combustion sans liant de type cire.

35 L'invention telle que décrite ci-dessus présente différents avantages parmi lesquels : la définition d'une composition de combustible solide pour notamment des chaudières industrielle, qui est dépourvue de toute sciure de bois, et ayant un rendement énergétique meilleur qu'une composition à base exclusivement de marc de café du fait de la présence de pellicules de grains de café qui viennent aérer la composition, en outre, pour une composition ayant une teneur en pellicule inférieure à 5% par exemple 2%, les émissions de NOx sont inférieures à celles produites par une composition à 100% de marc de café, la valorisation d'un sous-produit de torréfaction supplémentaire que constituaient les pellicules de grains de café, jusqu'alors considérées comme un sous-produit hautement inflammable à éliminer, l'amélioration de la tenue des granulés vis-à-vis de granulés à base de marc de café pur, les pellicules des grains de café venant constituer des ponts ou des liens au sein du granulé tout en l'aérant, ces ponts ou liens permettent en outre de diminuer la formation de poussières fréquente avec des granulés de marc de café pur.30

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Composition de combustible solide comprenant en mélange du marc de café usagé et au moins un agent 5 cellulosique, caractérisée en ce que l'agent cellulosique comprend des pellicules de grains de café.
2. 2. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que la proportion de pellicules de 10 grains de café dans la composition est inférieure ou égale à 25% en poids.
3. 3. Composition selon la revendication 2, caractérisée en ce que la proportion de pellicules de 15 grains de café dans la composition est inférieure ou égale à 5% en poids.
4. 4. Composition selon la revendication 3, caractérisée en ce que la proportion de pellicules de 20 grains de café dans la composition est inférieure ou égale à 2% en poids.
5. 5. Composition selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la 25 proportion restante de la composition est du marc de café.
6. 6. Composition selon l'une des revendications précédentes, se présentant sous la forme de granulés ou 30 de buchettes.
7. 7. Composition selon la revendication 6, présentant un taux d'humidité proche de 15%. 35
8. 8. Procédé de fabrication de la composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :- on sèche à l'étuve du marc de café usagé, - on mélange le marc de café séché avec des pellicules de grains de café, - on humidifie à 15% le mélange obtenu, - on granule le mélange humidifié sur une filière.