FR3123362A1 - Procédé de fabrication en continu d’une matière combustible par décompression explosive s’opérant par paliers - Google Patents

Procédé de fabrication en continu d’une matière combustible par décompression explosive s’opérant par paliers Download PDF

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Adriana QUINTERO-MARQUEZ
Jean-Luc DESPRES
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Europeenne de Biomasse SAS
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Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication en continu d’une matière combustible à partir de biomasse comprenant : - exposition de la biomasse introduite en continu dans un réacteur à de ladite vapeur d’eau à une pression comprise entre 15,3 et 22,9 bars pendant une durée suffisante pour obtenir un vapocraquage ; - extraction en continu dudit réacteur d’une partie de la biomasse contenue dans le réacteur. Selon l’invention, un tel procédé comprend : un transfert de ladite biomasse extraite dudit réacteur dans un conduit jusqu’à des moyens de séparation dans lesquels la pression de vapeur est comprise entre 7 et 8 bars ;une étape de séparation d’une portion de la vapeur extraite dudit réacteur avec ladite biomasse et de ladite biomasse ; - une étape de dépressurisation de ladite biomasse séparée de ladite portion de vapeur jusqu’à la pression atmosphérique. Figure à publier : 1

Description

Procédé de fabrication en continu d’une matière combustible par décompression explosive s’opérant par paliers
Domaine de l’invention
Le domaine de l’invention est celui de la production de combustibles à base de biomasse.
Plus précisément, l’invention concerne un procédé de fabrication en continu d’une matière combustible à partir de biomasse lignocellulosique.
L’invention trouve également une application dans la fabrication de matière combustible pour chaudières ou pour fours industriels, et pour des chaudières et poêles domestiques.
Art antérieur
La biomasse, et en particulier la biomasse lignocellulosique provenant de l’exploitation forestière ou la production agricole, est à l’état brut une matière peu dense, périssable et qui présente de grandes disparités. Il est donc nécessaire de la transformer pour pouvoir l’utiliser dans des chaudières ou des fours industriels, mais aussi pour faciliter son transport et son stockage.
Il est connu de mettre en œuvre des techniques de carbonisation, de torréfaction, ou encore par des techniques dites de « steam explosion » combinant un vapocraquage avec une décompression explosive, discontinue ou continue, pour transformer de la biomasse lignocellulosique en un combustible stable et de qualité sensiblement constante, possédant un pouvoir calorifique important.
Un inconvénient de la technique de carbonisation est que lors de la transformation une quantité massique importante, généralement de l’ordre de 70 à jusqu’à 80%, de matière est perdue, ce qui rend les combustibles obtenus par cette technique onéreux.
Les pertes de matière sont également importantes, et d’environ 10 à 20%, avec la technique de torréfaction, qui par ailleurs présente en outre l’inconvénient d’être couteuse à mettre en œuvre et de nécessiter une mise en œuvre sous une atmosphère inerte pour éviter un risque de combustion, qui représente un danger.
Les techniques connues de vapocraquage continu ou de « steam explosion » discontinue peuvent permettre de limiter les pertes massiques de matière. Toutefois, on constate qu’une matière volatile riche en énergie peut être libérée et perdue par ce procédé, ce qui peut réduire assez fortement le pouvoir final calorifique du produit final obtenu par ces procédés connus.
Le document WO2006/006863 A1 décrit une technique de « steam explosion » en batch dans laquelle la décompression explosive est réalisée en deux étapes. Dans une première étape, une partie de la vapeur d’eau contenue dans le réacteur est transférée dans un second réacteur, afin de limiter les pertes d’énergie et dans une seconde étape, la biomasse ayant subie un vapocraquage est évacuée avec la vapeur d’eau résiduelle dans une enceinte de vidange, sous l’effet de la détente.
Cette technique connue présente l’inconvénient d’être complexe et couteuse à mettre en œuvre, du fait qu’elle nécessite deux réacteurs et une enceinte présentant un volume interne environ 13 à 19 fois supérieur à celui des réacteurs pour pouvoir assurer la détente et qui soit apte à résister aux chocs explosifs.
Par ailleurs, la productivité de cette technique de production connue est limitée, car il est nécessaire de vider l’enceinte de vidange après le traitement de chaque lot de matière, avant d’introduire de la nouvelle matière à traiter dans les réacteurs.
On connait également du document WO 2017/089648 A1 une technique de traitement de biomasse par « steam explosion » en continu, dans laquelle la matière sortant du réacteur subit une décompression explosive au cours de laquelle la pression est abaissée en dessous de 5 bars en une seule étape, ceci afin de permettre une défibrillation convenable de la matière traitée. Un inconvénient de cette technique connue est qu’une quantité de matière encore trop importante est entrainée avec la vapeur rejetée.
Objectifs de l’invention
L’invention a donc notamment pour objectif de pallier les inconvénients de l’art antérieur cités ci-dessus.
Plus précisément l’invention a pour objectif de fournir une technique de fabrication en continu de matière combustible à partir de biomasse lignocellulosique par « steam explosion » qui permette d’améliorer le pouvoir calorifique de la matière combustible tout en limitant les pertes de matière sous forme de composés volatils condensables à taux de carbone important.
Un objectif de l’invention est également de fournir une telle technique qui permette d’obtenir une matière combustible apte à être transformée en granulés, aussi communément appelés « pellets ».
Un autre objectif de l’invention est de fournir une telle technique qui permette de réduire la granulométrie de la matière combustible.
Un objectif de l’invention est également de proposer une telle technique qui permette d’augmenter la cohésion et la résistance à l’eau de la matière combustible.
Encore un objectif de l’invention est de fournir une telle technique qui soit simple à mettre en œuvre, et d’un coût de revient réduit.
Ces objectifs, ainsi que d’autres qui apparaitront par la suite sont atteints à l’aide d’un procédé de fabrication en continu d’une matière combustible, destinée notamment à une chaudière industrielle, à partir de biomasse lignocellulosique comprenant les étapes suivantes :
- introduction en continu d’une masse prédéterminée par minute de ladite biomasse dans un réacteur sous pression, ledit réacteur étant alimenté en vapeur d’eau sensiblement saturée, dont la pression est comprise entre 15,3 et 22,9 bars et/ou la température est comprise entre 200 et 220°C une fois introduite dans le réacteur ;
- exposition de la biomasse introduite dans ledit réacteur à ladite vapeur d’eau pendant une durée suffisante pour obtenir un vapocraquage ;
- extraction en continu dudit réacteur d’une partie de la biomasse contenue dans le réacteur par minute.
Dans le cadre de l’invention, on entend par biomasse lignocellulosique de la biomasse d'origine agricole ou forestière comprenant de la cellulose, de l’hémicellulose et de la lignine, telle que du bois brut, des résidus forestiers, des déchets ou co-produits de l’industrie de transformation du bois (sciure, copeaux de bois, éclats …), des bois traités, des palettes, de la biomasse issue de l’exploitation de taillis, de miscanthus, de fétuque, de bambou, … , des déchets ou coproduits ligneux des cultures agricoles (paille, herbe, …) ou de l’industrie agroalimentaire (bagasse, …), ou des déchets verts, ligneux ou destinés à être recyclés provenant des déchetteries et toute combinaison de ceux-ci.
Selon l’invention, un tel procédé comprend :
  • une étape de décompression explosive comprenant un transfert de ladite biomasse extraite dudit réacteur dans un conduit jusqu’à des moyens de séparation dans lesquels la pression de vapeur est comprise entre 7 et 8 bars ;
  • une étape de séparation dans lesdits moyens de séparation d’une portion de la vapeur extraite dudit réacteur avec ladite biomasse et de ladite biomasse ;
- une étape de dépressurisation de ladite biomasse séparée de ladite portion de vapeur jusqu’à ce que la pression exercée sur la biomasse soit égale à la pression atmosphérique, ladite biomasse à pression atmosphérique formant ladite matière combustible.
Ainsi, de façon inédite, l’invention propose de procéder à une décompression explosive de la matière sortant du réacteur en plusieurs étapes, dont une première dans laquelle la pression est ramenée entre 7 et 8 bars, ce qui permet une défibrillation convenable de la biomasse tout en limitant sensiblement les pertes de matière à des pertes de composés volatils de faible pouvoir calorifique. Par ailleurs lors de l’étape de dépressurisation, la quantité de vapeur résiduelle étant réduite, une quantité plus faible de composés organiques valorisables d’intérêt est entrainée avec celle-ci.
Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, ladite étape de dépressurisation jusqu’à la pression atmosphérique comprend au moins une étape de décompression explosive supplémentaire comprenant un transfert dans un conduit de ladite biomasse des moyens de séparation jusqu’à des moyens de séparation supplémentaires dans lesquels la pression de vapeur est inférieure ou égale à 4 bars et une étape de séparation dans lesdits moyens de séparation supplémentaire d’une portion de la vapeur entrant dans lesdits moyens de séparation supplémentaire et de ladite biomasse.
Ainsi, en prévoyant une étape supplémentaire de décompression explosive, on extrait des composés d’intérêts plus riches en carbone que ceux extrait lors que la première étape de décompression explosive jusqu’à 7 à 8 bars, mais dans une quantité limitée, environ 10 fois plus faible que celle des composés extrait lors de la première étape, ce qui à nouveau limite les pertes de matière à fort pouvoir calorifique. Ces composés extraits peuvent par ailleurs être valorisés.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, ladite étape de dépressurisation jusqu’à la pression atmosphérique comprend :
- une première étape de décompression explosive supplémentaire comprenant un transfert dans un conduit de ladite biomasse des moyens de séparation jusqu’à des premiers moyens de séparation supplémentaires dans lesquels la pression de vapeur est comprise entre 3,5 et 4 bars et une étape de séparation dans lesdits premiers moyens de séparation supplémentaires d’une portion de la vapeur entrant dans lesdits premiers moyens de séparation supplémentaires et de ladite biomasse,
- une deuxième étape de décompression explosive supplémentaire comprenant un transfert dans un conduit de ladite biomasse des premiers moyens de séparation supplémentaires jusqu’à des deuxièmes moyens de séparation supplémentaires dans lesquels la pression de vapeur est comprise entre 1,8 et 2 bars, et préférentiellement est égale à 1,9 bars, et une étape de séparation dans lesdits deuxièmes moyens de séparation supplémentaires d’une portion de la vapeur entrant dans lesdits deuxièmes moyens de séparation supplémentaires et de ladite biomasse.
Ainsi on réalise une décompression explosive en quatre étapes, qui permet de limiter à chaque étape les pertes de matière à fort pouvoir calorifique, et les composés organiques volatils obtenus dans les dernières étapes peuvent être condensés et distillés ou séparés par d’autres moyens comme les techniques membranaires de filtration pour extraire des molécules d’intérêt.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, ladite étape de dépressurisation jusqu’à la pression atmosphérique comprend en outre une troisième étape de décompression explosive supplémentaire comprenant un transfert dans un conduit de ladite biomasse desdits deuxièmes moyens de séparation supplémentaires jusqu’à des troisièmes moyens de séparation supplémentaires dans lesquels la pression de vapeur est égale à 1 bar, et une étape de séparation dans lesdits troisièmes moyens de séparation supplémentaires d’une portion de la vapeur entrant dans lesdits troisièmes moyens de séparation supplémentaires et de ladite biomasse.
Ainsi on réalise une dernière séparation à la pression atmosphérique, ce qui permet de récupérer des composés volatils plus riche en énergie qui pourront être valorisés.
Avantageusement, lesdits moyens de séparation d’une portion de vapeur extraite dudit réacteur avec ladite biomasse extraite du réacteur comprennent un cyclone ou un séparateur dynamique centrifuge (turbine).
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, un procédé tel que décrit ci-dessus comprend une étape de circulation de ladite vapeur séparée de ladite biomasse dans un échangeur de chaleur, tel qu’un échangeur de chaleur à condensation.
On peut ainsi récupérer la chaleur sensible et la chaleur latente de la portion de vapeur séparée de la biomasse, pour par exemple sécher la biomasse avant de l’introduire dans le réacteur.
Dans un autre mode de réalisation particulier de l’invention, un procédé tel que décrit ci-dessus comprend une étape de combustion de ladite portion de vapeur séparée de ladite biomasse.
La pression de vapeur permet alors de diffuser celle-ci dans le foyer de la chaudière pour assurer une combustion convenable des composés organiques volatils et pour récupérer la chaleur latente de la vapeur.
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, un procédé tel que décrit ci-dessus comprend une étape de condensation d’au moins une partie de ladite portion de vapeur séparée de ladite biomasse et une étape de distillation de ladite vapeur d’eau condensée permettant d’obtenir une fraction d’intérêt purifiée, telle que du furfural ou du furfuraldéhyde, du 5-hydroxyméthylfurfuraldéhyde, de l’acide acétique, de l’acide formique, du méthanol, de la lévoglucosénone, de l’acide lévulinique, des dérivés résineux ou terpéniques, par exemple.
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, un procédé tel que décrit ci-dessus comprend une étape de condensation d’au moins une partie de ladite portion de vapeur séparée de ladite biomasse et une étape d’épuration de ladite vapeur d’eau condensée par application d’un traitement à boues activées ou par méthanisation.
Selon un aspect particulier de l’invention, ladite étape de méthanisation est une étape de méthanisation acétoclastique.
On valorise ainsi l’acide acétique en méthane.
Il convient de noter que la mise en œuvre de plusieurs étapes de décompression explosive permet d’extraire du furfuraldéhyde ou furfural, qui est un inhibiteur de la réaction de méthanisation de l’acide acétique, au cours de la ou des premières étapes de décompression explosive, puis de procéder à la méthanisation de l’acide acétique dans une étape ultérieure.
Selon un aspect particulier de l’invention, ledit conduit présente à au moins une de ses extrémités une vanne rotative ou des moyens d’étanchéité dynamique.
De préférence, ladite biomasse introduite dans le réacteur présente un taux d’humidité compris entre 5 et 25%.
Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, ladite biomasse comprend des plaquettes de bois.
Liste des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante d’un mode de réalisation de l’invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des figures annexées parmi lesquels :
représente une installation de fabrication de matière combustible à partir de biomasse lignocellulosique convenant pour la mise en œuvre d’un procédé de fabrication de matière combustible selon l’invention ;
illustre les étapes d’un autre exemple de mode de réalisation d’un procédé de fabrication selon l’invention, sous forme de diagramme-bloc.

Claims (13)

  1. Procédé de fabrication en continu d’une matière combustible, destinée notamment à une chaudière industrielle, à partir de biomasse lignocellulosique comprenant les étapes suivantes :
    - introduction en continu d’une masse prédéterminée par minute de ladite biomasse dans un réacteur sous pression, ledit réacteur étant alimenté en vapeur d’eau sensiblement saturée, dont la pression est comprise entre 15,3 et 22,9 bars et/ou la température est comprise entre 200 et 220°C une fois introduite dans le réacteur ;
    - exposition de la biomasse introduite dans ledit réacteur à ladite vapeur d’eau pendant une durée suffisante pour obtenir un vapocraquage ;
    - extraction en continu dudit réacteur d’une partie de la biomasse contenue dans le réacteur par minute ;
    caractérisé en ce qu’il comprend :
    - une étape de décompression explosive comprenant un transfert de ladite biomasse extraite dudit réacteur dans un conduit jusqu’à des moyens de séparation dans lesquels la pression de vapeur est comprise entre 7 et 8 bars ;
    - une étape de séparation dans lesdits moyens de séparation d’une portion de la vapeur extraite dudit réacteur avec ladite biomasse et de ladite biomasse ;
    - une étape de dépressurisation de ladite biomasse séparée de ladite portion de vapeur jusqu’à ce que la pression exercée sur la biomasse soit égale à la pression atmosphérique, ladite biomasse à pression atmosphérique formant ladite matière combustible.
  2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape de dépressurisation jusqu’à la pression atmosphérique comprend au moins une étape de décompression explosive supplémentaire comprenant un transfert dans un conduit de ladite biomasse des moyens de séparation jusqu’à des moyens de séparation supplémentaires dans lesquels la pression de vapeur est inférieure ou égale à 4 bars et une étape de séparation dans lesdits moyens de séparation supplémentaire d’une portion de la vapeur entrant dans lesdits moyens de séparation supplémentaire et de ladite biomasse.
  3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite étape de dépressurisation jusqu’à la pression atmosphérique comprend :
    - une première étape de décompression explosive supplémentaire comprenant un transfert dans un conduit de ladite biomasse des moyens de séparation jusqu’à des premiers moyens de séparation supplémentaires dans lesquels la pression de vapeur est comprise entre 3,5 et 4 bars et une étape de séparation dans lesdits premiers moyens de séparation supplémentaires d’une portion de la vapeur entrant dans lesdits premiers moyens de séparation supplémentaires et de ladite biomasse.
    - une deuxième étape de décompression explosive supplémentaire comprenant un transfert dans un conduit de ladite biomasse des premiers moyens de séparation supplémentaires jusqu’à des deuxièmes moyens de séparation supplémentaires dans lesquels la pression de vapeur est comprise entre 1,8 et 2 bars, et préférentiellement est égale à 1,9 bars, et une étape de séparation dans lesdits deuxièmes moyens de séparation supplémentaires d’une portion de la vapeur entrant dans lesdits deuxièmes moyens de séparation supplémentaires et de ladite biomasse.
  4. Procédé de fabrication selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite étape de dépressurisation jusqu’à la pression atmosphérique comprend en outre une troisième étape de décompression explosive supplémentaire comprenant un transfert dans un conduit de ladite biomasse desdits deuxièmes moyens de séparation supplémentaires jusqu’à des troisièmes moyens de séparation supplémentaires dans lesquels la pression de vapeur est égale à 1 bar, et une étape de séparation dans lesdits troisièmes moyens de séparation supplémentaires d’une portion de la vapeur entrant dans lesdits troisièmes moyens de séparation supplémentaires et de ladite biomasse.
  5. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de séparation d’une portion de vapeur extraite dudit réacteur avec ladite biomasse extraite du réacteur comprennent un cyclone ou un séparateur dynamique centrifuge.
  6. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de circulation de ladite vapeur séparée de ladite biomasse dans un échangeur de chaleur, tel qu’un échangeur de chaleur à condensation.
  7. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de combustion de ladite portion de vapeur séparée de ladite biomasse.
  8. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de condensation d’au moins une partie de ladite portion de vapeur séparée de ladite biomasse et une étape de distillation de ladite vapeur d’eau condensée permettant d’obtenir une fraction d’intérêt purifiée, telle que du furfural.
  9. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de condensation d’au moins une partie de ladite portion de vapeur séparée de ladite biomasse et une étape d’épuration de ladite vapeur d’eau condensée par application d’un traitement à boues activées ou par méthanisation.
  10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite étape de méthanisation est une étape de méthanisation acétoclastique.
  11. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit conduit présente à au moins une de ses extrémités une vanne rotative ou des moyens d’étanchéité dynamique.
  12. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ladite biomasse introduite dans le réacteur présente un taux d’humidité compris entre 5 et 25%.
  13. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ladite biomasse comprend des plaquettes de bois.
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