FR3158317A1 - Dispositif de pyrolyse continue de biomasse à séparation des co-produits par condensation et centrifugation - Google Patents

Dispositif de pyrolyse continue de biomasse à séparation des co-produits par condensation et centrifugation

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Abstract

Dispositif de pyrolyse continue de biomasse à séparation des co-produits par condensation et centrifugation. Le dispositif selon l’invention est un dispositif de pyrolyse continue caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : i) étape de séchage de la biomasse ; ii) étape de pyrolyse de la biomasse ; iii) étape de condensation et centrifugation ; iv) étape de mélange des résidus carbonés avec le vinaigre de bois ; v) étape de combustion de la bio-huile dans un brûleur ; vi) étape de combustion du biogaz dans un générateur électrique en option ; vii) étape de récupération d’énergie sous forme de chaleur dans une machine à cycle organique de Rankine (ORC pour Organic Rankine Cycle en anglais) en option.Figure pour l’abrégé : [Fig.1]

Description

Dispositif de pyrolyse continue de biomasse à séparation des co-produits par condensation et centrifugation
La présente invention concerne un dispositif de pyrolyse continue de biomasse à séparation des co-produits par condensation et centrifugation permettant d’obtenir : un mélange de biochar et biopesticide susceptible d’être utilisé comme puit de carbone, fertilisant et pesticide agricole naturel, un biogaz susceptible d’être utilisé par un générateur électrique, de la chaleur susceptible d’être utilisé localement ou par une machine à cycle organique de Rankine (ORC pour Organic Rankine Cycle en anglais), et enfin une bio-huile à pouvoir calorifique améliorée susceptible d’être utilisée par combustion pour maintenir la continuité de la réaction de pyrolyse de l’ensemble du dispositif susvisé.
La pyrolyse continue de la biomasse consiste à soumettre celle-ci à des températures élevées en l’absence d’oxygène pour éviter toute réaction de combustion. La biomasse est formée essentiellement d’eau, de cellulose, d’hémicellulose et de lignine. Dans la réaction de pyrolyse, la biomasse va donc en premier lieu se déshydrater puis se décomposer à mesure de l’augmentation de la température.
A l’issue de ce processus, on obtient deux types de produits :
  1. Des résidus solides carbonés connus sous différents noms tels que « biochar », « agrichar », « char », « biocharbon », « biocarbon », « charbon végétal », « charbon vert », « charbon », « coke », « coke pyrolytique » ;
  2. Des gaz condensables et incondensables, indissociables, qui permettent eux même d’obtenir après traitement trois types de produits dont la répartition dépend de la température, de la durée de pyrolyse et de la biomasse utilisée :
    1. Des gaz incondensables comprenant essentiellement du méthane (CH4), du dihydrogène (H2), du monoxyde de carbone (CO) et du dioxyde de carbone (CO2) connus sous différents noms tels que « biogaz », « biogas » ; « syngaz», « syngas », « synthetic gas », « gaz de synthèse », « gaz synthétique », « gaz manufacturé » ;
    2. Une phase liquide organique connus sous différents noms tels que « bio-huile », « huile de synthèse », « bio-oil », « synthetic oil », « synoil », « huile pyrolytique », « pyrolytic oil », « huile de pyrolyse », « pyrolysis oil », « bio-huile pyrolytique », « pyrolytic bio-oil » ;
    3. Une phase liquide aqueuse connus sous différents noms tels que « vinaigre de bois », « wood vinegar », « acide pyroligneux », « pyroligneous acid », « acide de bois », « wood acid », « fumée liquide », « liquid smoke », « distillat du bois », « wood distillate ».
De manière générale, les dispositifs de pyrolyse continue de biomasse de l’existant peuvent servir à produire du biochar, du biocarburant, et parfois même de l’hydrogène ou du méthane par un procédé coûteux de vapo craquage des gaz non condensables.
Les dispositifs de pyrolyse continue de biomasse de l’existant les plus courants utilisent la totalité des gaz condensables et non condensables par combustion pour maintenir la continuité de la réaction de pyrolyse de l’ensemble du dispositif induisant plusieurs limitations : d’une part les gaz condensables contiennent une quantité significative de vinaigre de bois à très faible pouvoir calorifique ce qui réduit fortement le rendement énergétique du processus ; d’autre part le vinaigre de bois est un biopesticide utilisable en agriculture au même titre que le biochar et le brûler réduit ainsi les sources de revenus potentiels.
Les dispositifs de pyrolyse continue de biomasse de l’existant les plus avancées utilisent quant à eux les gaz non condensables par combustion pour maintenir la continuité de la réaction de pyrolyse de l’ensemble du dispositif et traitent les gaz condensables via des colonnes à distiller ou des condenseurs en série à différentes températures pour récupérer une bio-huile de grande qualité destinée à l’usage sous forme de biocarburant induisant plusieurs limitations : d’une part le coût de traitement des gaz condensables est significatif au vu des équipements nécessaires pour la production de biocarburant, d’autre part le vinaigre de bois est un biopesticide utilisable en agriculture au même titre que le biochar et le traiter comme déchet réduit ainsi les sources de revenus potentiels.
Compte-tenu de ce qui précède, un enjeu majeur est de fournir un procédé optimisé pour la conversion de biomasse en biochar à l’échelle industrielle qui soit peu coûteux, efficace énergétiquement, de grande capacité, et d’impact positif sur l’environnement.
Le dispositif selon l’invention permet de remédier aux limitations de l’existant précédemment évoquées en répondant au besoin d’une production à l’échelle industrielle de plusieurs milliers à dizaines de milliers de tonnes de biochar à l’année, aux objectifs de coût, d’efficacité énergétique, de capacité, et d’impact positif sur l’environnement.
Le dispositif de pyrolyse continue de biomasse à séparation des co-produits par condensation et centrifugation comprend au moins les étapes successives suivantes :
  1. Etape de séchage de la biomasse ;
  2. Etape de pyrolyse de la biomasse (déshydratation, décomposition cellulose/hémicellulose, décomposition lignine) conduisant à la formation de deux fractions : des résidus solides carbonés d’un côté et des gaz condensables et incondensables de l’autre ;
  3. Etape de condensation et centrifugation conduisant à la formation de trois fractions : du biogaz, de la bio-huile et du vinaigre de bois ;
  4. Etape de mélange des résidus carbonés avec le vinaigre de bois ;
  5. Etape de combustion de la bio-huile dans un brûleur ;
  6. Etape de combustion du biogaz dans un générateur électrique en option ;
  7. Etape de récupération d’énergie sous forme de chaleur dans une machine à cycle organique de Rankine (ORC pour Organic Rankine Cycle en anglais) en option.
Le procédé se distingue fondamentalement de l’état de l’art antérieur en ce qu’il comprend une étape de mélange des résidus carbonés avec le vinaigre de bois à des fins agricoles.
Avantageusement, le vinaigre de bois étant déjà utilisé en agriculture comme pesticide naturel, le mélange de biochar et biopesticide est désormais commercialisable comme puit de carbone, fertilisant et pesticide agricole naturel.
Avantageusement, le vinaigre de bois permet d’abaisser la température du biochar lors du mélange permettant de réduire la consommation d’énergie associée au refroidissement de celui-ci.
Avantageusement, le vinaigre de bois permet de stabiliser et d’humidifier le biochar réduisant fortement les contraintes de stockage de celui-ci puisqu’aucun système d’extinction incendie, de contrôle de température ou de stockage sous atmosphère pauvre en oxygène n’est nécessaire.
Le procédé se distingue de l’art antérieur en ce qu’il comprend également une étape de condensation et centrifugation ne nécessitant pas de colonnes à distiller ou des condenseurs en série à différentes températures.
Avantageusement, l’utilisation de la bio-huile dans un brûleur réduit fortement les contraintes de transformation et de raffinage par rapport à une utilisation sous forme de biocarburant et permet de réduire les coûts du procédé par l’utilisation d’un unique condenseur fonctionnant à une unique température.
Avantageusement, l’utilisation de la bio-huile dans un brûleur permet de maintenir la réaction de pyrolyse de l’ensemble du dispositif et rend alors le biogaz disponible à la vente ou à des fins de productions d’électricité avec un générateur électrique en option ce qui améliore les revenus du procédé.
Avantageusement, l’utilisation de la bio-huile sur place réduit fortement les contraintes de stockage et de transport par rapport à une utilisation sous forme de biocarburant et permet de réduire les coûts du procédé.
Le dispositif de pyrolyse continue de biomasse à séparation des co-produits par condensation et centrifugation objet de l’invention présente plusieurs avantages :
  1. Dispositif déployable à l’échelle industrielle ;
  2. Dispositif peu coûteux ;
  3. Dispositif efficace énergétiquement ;
  4. Dispositif de grande capacité ;
  5. Dispositif ayant un impact positif sur l’environnement.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront du complément de description qui suit.
Il va de soi que ce complément de description n’est donné qu’à titre d’illustration de l’objet de l’invention et ne doit en aucun cas être interprété comme une limitation de cet objet.
Brève description des figures
Les dessins annexés illustre l’invention.
LaFIG. 1illustre schématiquement les différentes étapes d’un dispositif de pyrolyse continue permettant d’obtenir de l’eau chaude et du biogaz comme co-produits.
LaFIG. 2représente une variante de laFIG. 1avec l’ajout d’un générateur électrique permettant d’obtenir de l’eau chaude et de l’électricité comme co-produits.
LaFIG. 3représente une variante de laFIG. 1avec l’ajout d’un générateur électrique et d’une machine à cycle organique de Rankine (ORC pour Organic Rankine Cycle en anglais) permettant d’obtenir un maximum d’électricité comme co-produits.
Description détaillée des figures
On se réfère à laFIG. 1qui illustre schématiquement les différentes étapes de la pyrolyse continue de biomasse à séparation des co-produits par condensation et centrifugation qui produit dans un premier temps un mélange de biochar et biopesticide, du biogaz et de l’eau chaude, puis éventuellement en option de l’électricité moyennant un générateur électrique utilisant le biogaz si l’on se réfère à laFIG. 2et enfin en option un maximum d’électricité moyennant une machine à cycle organique de Rankine (ORC pour Organic Rankine Cycle en anglais) utilisant l’eau chaude si l’on se réfère à laFIG. 3.
En référence à ces figures, le dispositif de pyrolyse continue de biomasse à séparation des co-produits par condensation et centrifugation selon l’invention comporte un silo à trémie (2) pour le stockage de la biomasse, cette dernière pouvant être humide ou quasiment sèche.
Sous la trémie un convoyeur à vis (3) permet d’alimenter, en continu et uniformément, un séchoir rotatif (4) pouvant être doublé en cas de taux d’humidité de la biomasse dépassant les 30%.
La biomasse ainsi séchée à un taux d’humidité inférieur à 15% est insérée via un convoyeur à vis (5) directement dans la partie intérieure du pyrolyseur rotatif (6) qui est chauffée à haute température par la partie extérieure du pyrolyseur rotatif (16) dans laquelle circule les gaz de combustion.
La montée progressive de la température dans la partie intérieure du pyrolyseur rotatif (6) va d’abord déshydrater complètement la biomasse, avant de progressivement dégrader la cellulose et l’hémicellulose, puis terminer par dégrader la lignine. Cette déshydratation et décomposition thermique de la biomasse en l’absence d’oxygène permet d’obtenir des résidus solides carbonés d’un côté et des gaz condensables et incondensables de l’autre (24).
Les résidus solides carbonés ou biochar, sont ensuite transportés dans un convoyeur à vis refroidissant (7) dont les parois sont en contact avec une entrée d’eau froide (38) et une sortie d’eau tiède (39) jusqu’à un mélangeur à vis humidifiant (8) dans lequel le biochar est mélangé avec le vinaigre de bois (31) afin de produire un fertilisant et pesticide agricole naturel. Ce mélange de biochar et biopesticide (9) peut alors être directement stocké à l’air libre ou emballé en sacs sur palette.
L’air neuf (10) nécessaire à la combustion de la bio-huile (28) est préalablement préchauffé dans un échangeur thermique air/air (11) pour maximiser la consommation énergétique du dispositif. Cet air neuf préchauffé circule dans une gaine isolante jusqu’à un ventilateur à tirage induit (13) qui alimente le brûleur à huile lourde (14).
Une chambre de combustion (15) est utilisée pour homogénéiser la température des gaz de combustion qui sont introduits dans la partie extérieure du pyrolyseur rotatif (16) et vont ainsi chauffer la partie intérieure du pyrolyseur rotatif (6).
L’échappement haute température (17) du pyrolyseur rotatif peut être utilisé dans le séchoir rotatif (4) soit directement, soit dilué avec de l’air neuf, soit utilisé indirectement avec un échangeur thermique air/air en fonction de la biomasse, de son humidité et du risque d’incendie.
La température résiduelle de ce flux d’échappement est utilisée dans l’échangeur thermique (11) précédemment mentionné avant d’être traité dans un cyclone (18) pour en éliminer les particules fines. La différence de pression de l’ensemble est compensée par un ventilateur à tirage induit (19). Ce flux d’échappement est alors dirigé vers un épurateur à eau (20) ou « water scrubber » en anglais.
Avant le rejet de l’air traité (23) dans l’atmosphère, le flux d’échappement passe par un traitement catalytique aux UV (21) suivi d’une filtration dans un filtre à charbon actif (22).
Les gaz condensables et incondensables (24) précédemment mentionnés sont alors dirigés vers un unique condenseur indirect à eau (25) fonctionnant à une unique température pour donner des gaz non condensables d’un côté (32) et un mélange bio-huile et vinaigre de bois (26) de l’autre. Le refroidissement est assuré par une entrée d’eau tiède (39) et une sortie d’eau chaude (40). Des goudrons extrêmement visqueux peuvent parfois se déposer sur les parois du condenseur indirect à eau (25) altérant son efficacité. Le cas échéant, une recirculation du vinaigre de bois (26) sous forme de pulvérisations directement dans le condenseur indirect à eau (25) est à prévoir et permet de mieux évacuer ces goudrons extrêmement visqueux.
Ce mélange bio-huile et vinaigre de bois (26) est alors traité dans un séparateur à assiette (27) permettant de facilement collecter les infimes solides résiduels tout en séparant efficacement la bio-huile (28) d’un côté et le vinaigre de bois (31) de l’autre. Une cuve de stockage (29) pouvant éventuellement être chauffée suivant la viscosité de la bio-huile (28) sert de tampon avec le brûleur à huile lourde (14) ensuite alimenté par un tuyau d’alimentation chauffé (30).
Les gaz non condensables (32) précédemment mentionnés sont ensuite traités dans un cyclone (33) pour en éliminer les particules fines. La différence de pression de l’ensemble est compensée par un ventilateur à tirage induit (34) qui dirige ensuite ces gaz vers un épurateur à eau (35) ou « water scrubber » en anglais.
Avant l’utilisation de ce biogaz (37), un passage dans un filtre à charbon actif (36) permet d’éliminer toutes les impuretés résiduelles.
En option, ce biogaz (37) peut être utilisé dans un générateur électrique (41) spécialement conçu pour les biogaz à faible capacité calorifique dont la principale caractéristique est la relative faible vitesse de rotation. L’injection de l’électricité (42) se fait alors sur le réseau triphasé local.
En option également, l’eau chaude (40) peut être utilisé dans une machine à cycle organique de Rankine (ORC pour Organic Rankine Cycle en anglais) (43) qui présente certes un rendement plus faible que le générateur électrique (environ 0.11 vs. 0.44) mais à l’avantage de maximiser la production d’électricité de l’ensemble du dispositif, cette électricité (44) étant également injectée sur le réseau triphasé local.
Liste numérotée
Liste numérotée :
  1. Biomasse
  2. Silo à trémie
  3. Convoyeur à vis
  4. Séchoir rotatif
  5. Convoyeur à vis
  6. Pyrolyseur rotatif (partie intérieure)
  7. Convoyeur à vis refroidissant
  8. Mélangeur à vis humidifiant
  9. Mélange biochar et biopesticide
  10. Air neuf
  11. Echangeur thermique
  12. Gaine isolante
  13. Ventilateur à tirage induit
  14. Brûleur à huile lourde
  15. Chambre de combustion
  16. Pyrolyseur rotatif (partie extérieure)
  17. Echappement haute température
  18. Cyclone
  19. Ventilateur à tirage induit
  20. Epurateur à eau
  21. Traitement catalytique aux UV
  22. Filtre à charbon actif
  23. Air traité
  24. Mélange gaz condensables et non condensables
  25. Condensateur indirect à eau
  26. Mélange bio-huile et vinaigre de bois
  27. Séparateur à assiette
  28. Bio-huile
  29. Cuve de stockage
  30. Tuyau d’alimentation chauffé
  31. Vinaigre de bois
  32. Gaz non condensables
  33. Cyclone
  34. Ventilateur à tirage induit
  35. Epurateur à eau
  36. Filtre à charbon actif
  37. Biogaz
  38. Eau froide
  39. Eau tiède
  40. Eau chaude
  41. Générateur électrique
  42. Electricité triphasé
  43. Machine à cycle organique de Rankine (ORC pour Organic Rankine Cycle en anglais)
  44. Electricité triphasé

Claims (3)

  1. Procédé selon l’invention caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes :
    1. Etape de séchage de la biomasse ;
    2. Etape de pyrolyse de la biomasse (déshydratation, décomposition cellulose/hémicellulose, décomposition lignine) conduisant à la formation de deux fractions : des résidus solides carbonés d’un côté et des gaz condensables et incondensables de l’autre ;
    3. Etape de condensation et centrifugation conduisant à la formation de trois fractions : du biogaz, de la bio-huile et du vinaigre de bois ;
    4. Etape de mélange des résidus carbonés avec le vinaigre de bois ;
    5. Etape de combustion de la bio-huile dans un brûleur ;
    6. Etape de combustion du biogaz dans un générateur électrique en option ;
    7. Etape de récupération d’énergie sous forme de chaleur dans une machine à cycle organique de Rankine (ORC pour Organic Rankine Cycle en anglais) en option.
  2. Procédé selon la [Revendication 1] caractérisé en ce qu’il comprend une étape de mélange des résidus carbonés avec le vinaigre de bois conduisant à un produit tout-en-un (puit de carbone, fertilisant et pesticide agricole naturel).
  3. Procédé selon n’importe laquelle des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comprend également une étape de condensation et centrifugation ne nécessitant pas de colonnes à distiller ou des condenseurs en série à différentes températures.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107541227A (zh) * 2017-04-19 2018-01-05 北京三聚绿能科技有限公司 一种制备炭基肥用高品质生物质炭并联产木醋液的工艺

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