FR3121445A1 - Procede de traitement de biomasse solide integrant l’energie des co-produits pour le sechage des plaquettes avant vapocraquage - Google Patents
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Abstract
La présente invention a trait au domaine des procédés de transformation de la biomasse solide par vapocraquage en biocombustibles solides. Plus précisément, l’invention concerne un procédé de vapocraquage d’une biomasse lignocellulosique dans lequel l’énergie contenue dans les évaporats et dans la vapeur d’eau générés est conservée au sein du système et est directement utilisée pour le séchage des plaquettes avant l’étape de vapocraquage.
Description
La présente invention a trait au domaine des procédés de transformation de la biomasse solide par vapocraquage en biocombustibles solides. Plus précisément, l’invention concerne un procédé de vapocraquage d’une biomasse ligno-cellulosique dans lequel l’énergie contenue dans les évaporats et dans la vapeur d’eau générés est conservée au sein du système et est directement utilisée pour le séchage de la biomasse lignocellulosique avant l’étape de vapocraquage.
Domaine de l’invention
La production d'énergie à partir de sources renouvelables (électricité et chaleur) peut provenir de l'environnement (soleil, vent, marées, expansion, géothermie, hydraulique) ou de la biomasse. En raison du manque de moyens de stockage d'énergie, l'énergie hydraulique et géothermique des rivières ou des barrages sont actuellement des sources d'énergie renouvelables intermittentes. Dans ce cas, seule la biomasse constitue une source d'énergie primaire et peut être transportée vers un endroit où elle est convertie en chaleur et / ou en électricité. Cependant, la biomasse est une énergie de faible densité, variable et périssable.
En effet, une manière d’exploiter la biomasse consiste à utiliser des plaquettes forestières, des produits connexes de scierie (sciure) ou des granulés de bois sans modification. Ces matières renouvelables sont très peu denses (il faut 5 à 8 volumes de plaquettes pour produire l’équivalent d’énergie d’un seul volume de charbon), ce qui implique une chaîne logistique et des outils surdimensionnés, sans parler de la variabilité des contenus des approvisionnements qui impacte le fonctionnement de la chaudière (humidité, cendres, métaux lourds, organiques, azote, chlore, soufre, poussières). Le granulé de bois (ou « white pellet ») est plus normalisé, mais il est cher, et ne résiste pas à l’exposition à l’eau et aux conditions extérieures. Enfin, la production de biogaz nécessite la gestion d’effluents liquides dilués, ou de solides humides peu transportables, et d’une utilisation localisée, souvent de taille réduite.
Pour contrevenir à ces problèmes, la biomasse ligno-cellulosique (bois, résidus agricoles, coproduits de l’agriculture et de l’agro-industrie) peut être transformée en un composé dense énergétiquement, transportable et facilement stockable qui permettrait de développer et consolider une filière industrielle d’énergie stationnaire (biocombustible utilisé en un point fixe, le foyer, contrairement aux biocarburants) et de réduire les impacts environnementaux (réduction de l’émission de CO2 fossile, avec une biomasse produite sans fertilisants, ni phytosanitaires). Ce biocombustible solide, aussi appelé «granulés noirs» (ou «black pellet») peut avantageusement remplacer le charbon, voire le fioul et le gaz dans des chaudières.
Il existe plusieurs moyens de densifier et stabiliser la biomasse ligno-cellulosique, notamment la carbonisation, la torréfaction et le vapocraquage. La première, qui permet de fabriquer du charbon de bois, implique un prix de la matière élevé du fait de perte importante de rendement (de l’ordre de 70 à 80%), et est réservée à des usages à haut prix de vente tels que le barbecue. La torréfaction est une technologie présentant un rendement acceptable (10% à 20% de perte), mais le prix reste prohibitif, et la technologie n’est pas mature. A ce jour, seul le vapocraquage semble viable techniquement, et économiquement à condition de contenir les coûts de production. Cette technologie permet de fabriquer des « granulés noirs » (ou « black pellets »).
Le vapocraquage diffère d’un prétraitement hydrothermique, aussi appelé fractionnement aqueux, solvolyse, hydrothermolyse ou traitement hydrothermique, en ce que ce dernier consiste à utiliser de l’eau à haute température et à haute pression afin de promouvoir la désintégration et la séparation de la matrice lignocellulosique. Cette technique n’est pas adaptée à la production de granulés noirs puisque les produits obtenus sont majoritairement liquides. Le procédé de préparation de granulés noirs comprend schématiquement 3 étapes : 1) préparation de la matière première (broyage, séchage...), 2) vapocraquage et 3) granulation, toutes consommatrices d’énergie.
Dans le cas d’une usine fabriquant du black pellet de biomasse vapocraquée, il entre dans le vapocraqueur une biomasse séchée et de la vapeur propre d’eau chaude sous pression. Les deux flux sortant à l’issue du vapocraquage sont :
• un flux solide de biomasse vapocraquée qui va être granulée, et
• un flux gazeux de vapeur de plus faible pression contenant des composés organiques volatils (COV), appelés évaporats, issus du traitement de la biomasse.
Un des problèmes associés à la production de granulés par vapocraquage est la production de ces évaporats chargés en COV qui peuvent être toxiques pour l’environnement et coûteux pour le procédé , s’ils ne sont pas valorisés. Il est donc nécessaire de traiter les évaporats pour éliminer les COV avant de libérer une vapeur d’eau propre hors du système. Pour ce faire, il est habituel de brûler les évaporats de sorte à ce que les COV se décomposent en CO2 et CO, molécules qui peuvent alors être libérées dans l’atmosphère sans danger pour l’environnement, sous forme de fumées blanches (vapeur d’eau).
Art antérieur
Le brevet US2014309475A1 décrit un procédé pour l' élimination des déchets , comprenant les étapes suivantes : (a) effectuer une réaction de décomposition hydrothermique des déchets en utilisant une gamme de température et de pression entre 170-250 ° C et 18-25 bar vapeur ; (b) séparer le produit obtenu à l'étape (a) en : un résidu liquide et un produit solide par gravité, centrifugation ou pression appliquée; (c) sécher le produit solide séparé à l'étape (b) pour obtenir un combustible solide; (d) brûler le combustible solide obtenu à l'étape (c); (e) épurer le gaz de combustion généré à l'étape (d); (f) générer de la vapeur dans des gammes de températures et de pressions comprises entre 170-250 ° C et à 18-25 bars utilisable pour l'étape (a), en utilisant la chaleur générée à l'étape (d); et (g) purifier le résidu liquide séparé à l'étape (b), puis évacuer.
Le brevet FR1904680A1 décrit un procédé de traitement de biomasse solide par vapocraquage dans lequel l'énergie contenue dans les évaporats et dans la vapeur d'eau générés est conservée au sein du système ou utilisée pour d'autres types d'industries tels que la production d'électricité. Cette demande de brevet propose d’utiliser l’énergie associée aux évaporats et à la vapeur d’eau par introduction dans la chambre de combustion des composés organiques volatiles et d’au moins une partie de la vapeur d’eau recyclés et condensation de la vapeur d’eau.
Inconvénients de l’état de la technique
Les solutions que propose l’art antérieur de ne sont pas tout à fait satisfaisantes. En effet, les procédés que proposent l’art antérieur utilisent des mécanismes complexes afin de brûler les évaporats pour obtenir une énergie réutilisable. Ce type de procédé nécessite des installations particulières et un système employant plusieurs étapes pour le recyclage et la réutilisation de l’énergie de ces coproduits.
La présente invention propose une solution permettant de mieux valoriser les flux, notamment de coproduits, pour réduire les coûts énergétiques. Dans le cas d’une usine fabriquant du black pellet de biomasse vapocraquée, il entre dans le vapocraqueur une biomasse séchée, de la vapeur propre d’eau chaude sous pression ; les deux flux sortant du vapocraquage sont un flux solide de biomasse vapocraquée qui va être granulée, et un flux gazeux de vapeur de plus faible pression contenant des composés organiques volatils (COV), appelés évaporats, issus du traitement de la biomasse.
L’objectif est de proposer une solution intéressante, écologique et économique permettant un procédé de valorisation simple et efficace des co-produits issus de l’étape de vapocraquage.
L’invention concerne donc un procédé de vapocraquage d’une biomasse ligno-cellulosique intégrant l’énergie des coproduits caractérisé en ce que la biomasse est séchée avant l’étape de vapocraquage dans un sécheur à biomasse générant de la chaleur directe de séchage grâce à la combustion des composés organiques volatils produits dans l’enceinte de vapocraquage qui sont directement injectés et brûlés dans ledit sécheur pour produire les gaz chauds directement employés pour sécher la biomasse.
En outre, l’invention peut davantage être optimisée en utilisant un autre co-produit en parallèle de la combustion des évaporats de vapocraquage, à savoir en utilisant l’écorce issue de l’écorçage afin d’alimenter le sécheur à biomasse dans l’étape de séchage de la biomasse avant vapocraquage.
Avantages de l’invention
La présente invention propose donc une nouvelle approche dans le recyclage des coproduits associés aux procédés de traitement de la biomasse solide par vapocraquage. Elle fournit une solution permettant de simplifier les étapes de recyclage des coproduits tout en optimisant les coûts de production.
Le procédé que la présente invention propose est particulièrement intéressant si l’outil de production ne dispose pas d’une source chaude indirecte permettant de chauffer l’air nécessaire à sécher la biomasse. Il est particulièrement intéressant aussi dans le cas où aucune valorisation par une chaudière de génération simple de vapeur, voire une cogénération ne permet de valoriser les évaporats de vapocraquage qui devraient trouver sinon une autre solution de traitement de dépollution.
Un autre coproduit, les écorces issues de l’écorçage, permet d’alimenter le sécheur à biomasse. L’intérêt de l’écorçage ici est de réduire les minéraux dans le black pellet (localisés majoritairement dans l’écorce) et d’extraire la fraction la moins calorifique du bois, l’écorce, qui engendre ainsi du bois plus énergétique pour le black pellet. Ainsi la réduction de rendement matière de la biomasse entrant dans le vapocraquage entre 5% et 10% n’est pas totalement perdue car elle génère de l’énergie par combustion des composés organiques volatils dégagés lors du vapocraquage.
La vapeur d’eau de vapocraquage de ces évaporats, ainsi que la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone créés par leur combustion, cède sa chaleur lors du séchage de la matière première, à la place de l’air chauffé qu’il remplace en partie. L’humidité de la biomasse part avec cet air et ces fumées, ce qui permet une réduction de la teneur en eau : ainsi la biomasse rentre plus sèche au vapocraquage.
La quantité d’énergie consommée pour réchauffer la biomasse au vapocraquage est alors plus faible car il y a beaucoup moins d’eau à chauffer (5 à 10% d’humidité au lieu de 40 à 50% d’eau sur biomasse native). Le produit vapocraqué sort entre 5 et 10% d’humidité sans avoir besoin d’être séché après vapocraquage et délivre un black pellet plus dense énergétiquement.
De plus amples intégrations énergétiques sont possibles puisque les sites de production de black pellet par vapocraquage peuvent être des sites de production de vapeur à partir de biomasse : on peut donc sélectionner les meilleurs bois ou parties de bois pour la fabrication des granulés, et les moins nobles sont brulés pour l’énergie endogène ou le séchage, en complément des coproduits déjà cités. Les autres types de production nécessitent des chaleurs sèches (granulés blancs ou torréfaction) qui utilisent souvent du gaz fossile. Le bilan environnemental est donc dégradé pour ces deux derniers types de production de biocombustible solide.
Brève description des figures
DESCRIPTION DETAILLE DE L’INVENTION
L’invention concerne un procédé de vapocraquage d’une biomasse ligno-cellulosique intégrant l’énergie des coproduits caractérisé en ce que la biomasse est séchée avant l’étape de vapocraquage dans un sécheur à biomasse générant de la chaleur grâce à la combustion des composés organiques volatils produits dans l’enceinte de vapocraquage sont qui directement injectés et brûlés dans ledit sécheur.
Il est précisé que les évaporats produits lors de l’étape de vapocraquage sont brûlés dans le sécheur à biomasse dans un flux d’air. La chaleur des fumées et de cet air est alors directement cédée à la biomasse à vapocraquer humide qui va ainsi libérer son eau dans l’air de combustion et de séchage. La biomasse à vapocraquer humide devient sèche.
Par « biomasse » au sens de l’invention, on entend la biomasse ligno-cellulosique provenant aussi bien de résidus agricoles et forestiers, de sous-produits de transformation du bois que de cultures dédiées. Il peut s’agir en particulier de plaquettes de bois, avec ou sans écorces. La qualité de cette matière première influencera directement la qualité et les caractéristiques énergétiques de la matière combustible solide. A titre d’exemple, les bois les plus utilisés sont les feuillus et les résineux.
Par « Sécheur » au sens de l’invention, on entend un système permettant de sécher la biomasse ligno-cellulosique avant vapocraquage constitué de deux parties : une zone de combustion permettant la combustion des évaporats et une zone d’échange qui reçoit le flux de gaz venant de la zone de combustion et sèche la biomasse avant le vapocraquage. La biomasse humide circule donc dans la partie zone d’échange afin d’être séchée.
Le procédé que propose la présente invention fonctionne en détournant les flux gazeux vers un sécheur à biomasse ainsi que les écorces dans un procédé de vapocraquage pour la production de black pellet. Le flux gazeux est séparé du produit principal qui est la biomasse vapocraquée expulsée (flux solide) sous pression avec les évaporats (flux gazeux). Ces deux flux sont séparés par des outils continus de séparation cycloniques (statique comme le cyclone, dynamique comme les séparateurs centrifuges). Le flux gazeux, bien qu’il ait vu sa pression réduite à la séparation, dispose d’assez d’énergie cinétique pour être injecté dans le foyer d’un sécheur à biomasse ; les composés volatils y sont immédiatement brûlés libérant leur énergie dans le flux de gaz. Leur combustion crée de l’eau sous forme de vapeur qui se cumule à l’eau de combustion de la biomasse. La chaleur latente de ces vapeurs est récupérée dans le flux de gaz de combustion d’autres biomasses. Ce flux de gaz pulsé cède son énergie à la biomasse entrante dans des sécheurs à biomasse continus adaptés.
Dans un mode de réalisation particulier, la chaleur permettant le séchage de la biomasse à vapocraquer humide est produite en mode mixte comprenant la combustion des COV recyclés et la combustion d’une source énergétique extérieure principale. Dans un mode de réalisation particulier, la chaleur permettant le séchage est produite par la combustion des COV recyclés et la combustion des écorces issues de l’étape d’écorçage.
Ainsi, l’invention concerne un procédé de traitement de biomasse solide intégrant l’énergie des coproduits comprenant une étape de vapocraquage de biomasse, caractérisé en ce que :
- les composés organiques volatils produits dans l’enceinte de vapocraquage sont injectés, avec la vapeur de vapocraquage, directement dans le sécheur à biomasse afin d’y être brûlés et de produire une chaleur apte à sécher la biomasse vapocraquée humide.
- la chaleur permettant le séchage de ladite biomasse à vapocraquer humide étant produite au moins en partie par la combustion desdits composés organiques volatils recyclés.
- la chaleur permettant le séchage de ladite biomasse à vapocraquer humide étant produite au moins en partie par l’introduction dans le sécheur à biomasse d’au moins une partie ou de toute la vapeur accompagnant les COV ; cette vapeur d’eau est préférentiellement introduite immédiatement et directement dans le sécheur à biomasse pour minimiser la perte d’énergie.
Dans un mode de réalisation particulier, la biomasse ainsi traitée sert à la production de matière combustible à haut pouvoir calorifique, notamment en granulé noirs. Dans un autre mode de réalisation particulier, la biomasse ainsi traitée est utilisée en tant que substrat pulvérulent pour des applications en chimie verte et en biotechnologies.
Ainsi, l’invention concerne l’utilisation de la biomasse traitée selon le procédé de l’invention soit pour produire de la matière combustible à haut pouvoir calorifique, soit en tant que substrat pulvérulent pour des applications en chimie verte et en biotechnologies.
Par « matière combustible solide » au sens de l’invention, on entend une poudre (black powder) ou des granulés noirs (black pellet) obtenus par compression de la black powder, cette poudre et ces granulés étant constitués de biomasse vapocraquée.
Des granulés noirs à haut pouvoir calorifique peuvent être obtenus grâce à un procédé de transformation de la biomasse par vapocraquage en conditions sévères.
Dans un mode de réalisation particulier, le procédé de vapocraquage est mis en œuvre comme suit :
- obtention, à partir de plaquettes de bois, de fragments de bois dont la dimension est comprise entre 0,5 et 14 mm et présentant un taux d’humidité compris entre 5 et 27% ;
- introduction en continu d’un volume prédéterminé par minute desdits fragments de bois dans un réacteur sous pression, ledit réacteur étant alimenté en vapeur d’eau sensiblement saturée dont la pression est comprise entre 10 et 25 bars et la température est comprise entre 180 et 220°C ;
- exposition des fragments de bois introduits dans ledit réacteur à ladite vapeur d’eau pendant une durée suffisante pour obtenir un vapocraquage comprise entre 5 et 30 minutes, la valeur de ladite durée d’exposition et la valeur de la température de ladite vapeur sensiblement saturée étant sélectionnées de sorte que le facteur de sévérité soit compris entre 3 et 5, de préférence entre 4,0 et 4,2;
- extraction en continu dudit réacteur d’un même volume prédéterminé de fragments de bois
par minute, au travers d’une pluralité d’orifices débouchant dans un conduit sensiblement à la pression atmosphérique, de sorte à provoquer une décompression explosive desdits fragments de bois extraits dudit réacteur dans ledit conduit ;
- séparation desdits fragments de bois décompressés et de la vapeur résiduelle extraite dudit réacteur, lesdits fragments de bois obtenus après séparation formant ladite matière combustible sous forme de poudre.
Les fragments de bois récoltés sous forme de poudre à la sortie du séparateur sont ensuite séchés jusqu’à ce que leur taux humidité atteigne moins de 10%, avant d’être éventuellement compactés sous forme de granulés destinés à être utilisés comme combustible. Il est possible de procéder à une humidification des fragments de bois obtenus après séparation afin de faciliter la granulation.
Le Facteur de Sévérité du traitement est défini par la formule : FS=Log10(temps(min)*exp((T°C-100) /14.75)). Plus la température est élevée et plus la durée de traitement est longue, plus la sévérité augmente, plus on constate de transformation dans le produit, plus on perd de la matière carbonée dans les évaporats.
La matière combustible solide à haut pouvoir calorifique (granulés noirs) obtenue par mise en œuvre du procédé tel que défini précédemment présente un pouvoir calorifique supérieur ou égal à 5 MWh/t, de préférence supérieur ou égale à 5,6 MWh/t. Elle présente une augmentation en masse inférieure ou égale à 10% après immersion complète dans un récipient d’eau pendant une heure et égouttage pendant 30 minutes. Cette matière combustible est utilisable dans les fours industriels, et les chaudières et poêles domestiques.
La condensation d’une biomasse ligno-cellulosique par vapocraquage produit un évaporat qui doit être nettoyé des COV et cela demande de l’énergie et des équipements de lavage spécifiques. L’avantage du procédé selon l’invention est que l’énergie des coproduits est recyclée à savoir que les évaporats sont brûlés et que la chaleur issue de cette combustion est directement utilisée pour sécher la biomasse humide à vapocraquer.
Il est à noter que la nature des effluents dépend de la méthode utilisée pour condenser la biomasse. Le vapocraquage produit des effluents chargés en COV riches en énergie ainsi qu’une quantité importante de vapeur d’eau (par rapport aux méthodes alternatives de condensation de la biomasse). Cette spécificité justifie pleinement un intérêt à recycler cette énergie disponible. Cela est d’autant plus vrai lorsque les conditions appliquées pour le vapocraquage sont sévères.
Dans un mode de réalisation avantageux, les écorces issues de l’écorçage de la biomasse sont valorisées, en tant que combustible permettant d’alimenter le sécheur à biomasse pour le séchage de la biomasse humide à vapocraquer. L’écorçage a pour objectif de réduire les minéraux dans les granulés noirs (localisés majoritairement dans l’écorce) et d’extraire la fraction la moins calorifique du bois, l’écorce, pour engendrer des granulés noirs plus énergétiques. De plus, le fait de brûler les résidus d’écorces dans la chaudière permet de valoriser l’énergie qu’elles contiennent et d’augmenter le rendement global du procédé en diminuant les pertes de matière première.
Dans un mode de réalisation particulier, la biomasse vapocraquée est constituée de bois et le procédé selon l’invention comprend en outre :
- une étape la séparation des écorces de ladite biomasse avant vapocraquage et
- une étape de combustion desdites écorces pour alimenter le sécheur à biomasse.
Il est également possible d’utiliser comme source d’alimentation des écorces résiduelles et autres biomasses et coproduits peu valorisables en granulés noirs ou provenant d’un autre procédé en tant que matière première combustible pour la production de chaleur servant au séchage de la biomasse humide à vapocraquer.
Claims (4)
- Procédé de vapocraquage d’une biomasse ligno-cellulosique intégrant l’énergie des coproduits caractérisé en ce que la biomasse est séchée avant l’étape de vapocraquage dans un sécheur à biomasse grâce à la combustion des composés organiques volatils produits dans l’enceinte de vapocraquage sont qui directement injectés et brûlés dans ledit sécheur.
- Procédé selon la revendication 1 dans lequel l’énergie pour l’alimentation du sécheur à biomasse est également produite par la combustion d’une source énergétique extérieure.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la biomasse est une matière première ligno-cellulosique telle que le bois entier ou le bois sans écorce.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel ladite biomasse est constituée de bois et comprend en outre :
i) une étape de séparation des écorces de ladite biomasse avant vapocraquage et
ii) une étape de combustion desdites écorces dans ladite chaudière pour produire l’énergie qui alimentera, au moins en partie, le sécheur à biomasse.
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- 2021-04-01 FR FR2103377A patent/FR3121445B1/fr active Active
Patent Citations (2)
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| FR3095656A1 (fr) * | 2019-05-03 | 2020-11-06 | Europeenne De Biomasse | Procédé de traitement de biomasse solide par vapocraquage intégrant l’énergie des coproduits |
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