OA21348A

OA21348A - Process for producing ecological coal with high energy efficiency.

Info

Publication number: OA21348A
Application number: OA1202300134
Authority: OA
Inventors: ADAMON Gildas David Farid Monsieur; GBAGUIDI Bignon Priscille Adonaï Monsieur; AGONMAN Donan Segbegnon Aimé Mr; SODOKIN N'dedji Rodolphe Monsieur; GUIDI Tognon Clotilde Madame; ALIHONOU Agnimoan Constant Monsieur; GODJO Gorlon Thierry Monsieur; GBENOU Joachim Djimon Monsieur
Original assignee: ADAMON Gildas David Farid Monsieur
Filing date: 2023-03-17
Publication date: 2024-05-10

Abstract

Le domaine technique de la présente invention est celui des procédés de fabrication des biocombustibles solides (briquettes de charbon) qui consistent en des technologies de transformation des matières premières lignocellulosiques. La présente invention, propose un charbon écologique à forte efficacité énergétique fabriqué à partir des gousses du Delonix Regia, susceptible de substituer convenablement le charbon de bois et le bois de chauffe au regard de ses performances énergétiques. Composé majoritairement des gousses du Delonix Regia dans des proportions appropriées, le charbon écologique à forte efficacité énergétique est sous forme de cylindres concentriques, présentant un trou de diamètre 40 mm en son milieu. L’objectif de cette géométrie particulière, étant d’augmenter le phénomène de transfert de chaleur lors de la combustion des briquettes (convection & conduction). Soumis à différents tests de performances énergétiques tels que les tests de résistance au choc, les tests de résistance à l’effritement, les tests de combustion, les tests d’ébullition outre son Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI), il ressort que ce charbon écologique présente de meilleures performances. Il présente également un temps d’ébullition d’eau inférieur ou égale à celui du charbon de bois (soit 9 min 24 s) et s’avère très économique en termes de quantités de charbons consumées lors des cuissons de longue durée (cas du voandzou et du haricot). Son PCI est de l’ordre de 30,61 MJ/Kg (soit 98,82 % du PCI du charbon de bois qui est de 30,97MJ/Kg).
The technical field of the present invention is that of processes for manufacturing solid biofuels (coal briquettes) which consist of technologies for transforming lignocellulosic raw materials. The present invention proposes an ecological charcoal with high energy efficiency made from the pods of Delonix Regia, capable of suitably replacing charcoal and firewood with regard to its energy performance. Composed mainly of Delonix Regia pods in appropriate proportions, the ecological, highly energy efficient coal is in the form of concentric cylinders, with a 40 mm diameter hole in the middle. The objective of this particular geometry is to increase the phenomenon of heat transfer during the combustion of the briquettes (convection & conduction). Subjected to various energy performance tests such as impact resistance tests, crumbling resistance tests, combustion tests, boiling tests in addition to its Lower Calorific Value (LCV), it appears that this ecological coal presents better performance. It also has a water boiling time less than or equal to that of charcoal (i.e. 9 min 24 s) and is very economical in terms of quantities of coals consumed during long-term cooking (case of voandzou and beans). Its PCI is of the order of 30.61 MJ/Kg (or 98.82% of the PCI of charcoal which is 30.97MJ/Kg).

Description

La présente invention concerne un procédé de production de charbon écologique à forte efficacité énergétique, susceptible de substituer convenablement le charbon de bois/bois de feu.The present invention relates to a method for producing ecological charcoal with high energy efficiency, capable of suitably substituting charcoal/firewood.

Le domaine technique de la présente invention est celui des procédés de fabrication des biocombustibles solides (briquettes de charbon) qui consistent en des technologies de transformation des matières premières lignocellulosiques à travers les phases de séchage, carbonisation, broyage (obtention de poudre), de moulage et de compactage, et de séchage des biocombustibles solides.The technical field of the present invention is that of processes for manufacturing solid biofuels (coal briquettes) which consist of technologies for transforming lignocellulosic raw materials through the phases of drying, carbonization, grinding (obtaining powder), molding and compaction, and drying of solid biofuels.

De la revue de littérature scientifique et de vulgarisation des briquettes de charbon, nous savons qu’il existe plusieurs résultats de recherches sur ces types de biocombustibles solides, parmi lesquels nous pouvons citer :From the review of scientific literature and popularization of coal briquettes, we know that there are several research results on these types of solid biofuels, among which we can cite:

Très tôt en 1987, on assiste aux premières briquettes de charbons non pyrolysés contenant de fines particules de charbon de dimensions appropriées en mélange avec l’argile inorganique (Osuwan Somchai, 1987).Very early in 1987, we witnessed the first briquettes of non-pyrolyzed charcoal containing fine charcoal particles of appropriate dimensions mixed with inorganic clay (Osuwan Somchai, 1987).

Dans l'optique d'explorer d'autres pistes, un autre procédé a vu le jour : il s’agit du procédé de production de briquettes de charbon à partir de matières organiques par traitement thermique (Tukiainen Sampo, 2011).With a view to exploring other avenues, another process has emerged: this is the process of producing charcoal briquettes from organic materials by heat treatment (Tukiainen Sampo, 2011).

Par ailleurs, il existe un procédé de production de briquettes de charbon servant à produire des cokes (Mitsubishi Chemical Corporation, 2013).Furthermore, there is a process for producing coal briquettes used to produce cokes (Mitsubishi Chemical Corporation, 2013).

Trois (03) ans après, la technologie de production des briquettes de charbon a évolué à tel point, qu’en 2016, on note déjà la mise en place formelle de la chaîne de production de briquettes de charbon (Kang Yong Soo, 2016). Elle prend en compte : une étape de préparation du charbon, une étape de séchage du charbon, une étape de mesure de l'humidité post-séchage pour mesurer la teneur en humidité contenue dans le charbon séché, une étape consistant à fournir un mélange en associant le charbon séché avec au moins un élément choisi parmi un agent de durcissement et un liant, et une étape de production des briquettes de charbon en moulant le mélange.Three (03) years later, the technology for producing coal briquettes has evolved to such an extent that in 2016, we already noted the formal establishment of the coal briquette production line (Kang Yong Soo, 2016) . It takes into account: a step of preparing the coal, a step of drying the coal, a step of measuring the post-drying humidity to measure the moisture content contained in the dried coal, a step consisting of providing a mixture in combining the dried coal with at least one element chosen from a hardening agent and a binder, and a step of producing coal briquettes by molding the mixture.

Par la suite, on assiste à la mise en place d’un procédé de préparation de liant (intervenant dans le procédé de production de briquettes de charbons) à partir d’un lessivât de déchets en vue de la production de charbon industriel (Fuzhou University, 2018).Subsequently, we witness the establishment of a binder preparation process (involved in the process of producing coal briquettes) from waste leachate with a view to producing industrial coal (Fuzhou University , 2018).

Au cours de la même année, on note la mise en place de combustibles de briquettes de charbon à forte résistance et à faible coût (UBE industries, LTD, 2018). Elle vient mettre un accent particulier sur l’une des performances des briquettes de charbons : la résistance au choc (pour être en phase avec la résistance du charbon de bois, même si elle est difficile à atteindre). Enfin, en 2021, on note par contre, un nouveau procédé de production de briquettes de charbon, cette fois ci, à partir des scories de charbon avec un liant et résultant de déchets de minoterie, permettant de produire un combustible en briquettes écologiques tout en augmentant les caractéristiques énergétiques (température de combustion du combustible plus élevée) (ketelehob, 2021).During the same year, there was the introduction of high-strength, low-cost coal briquette fuels (UBE industries, LTD, 2018). It places particular emphasis on one of the performances of charcoal briquettes: impact resistance (to be in line with the resistance of charcoal, even if it is difficult to achieve). Finally, in 2021, on the other hand, we note a new process for producing coal briquettes, this time, from coal slag with a binder and resulting from flour milling waste, making it possible to produce fuel in ecological briquettes while increasing energy characteristics (higher fuel combustion temperature) (ketelehob, 2021).

Comme nous pouvons le constater, la plupart de ses inventions repose essentiellement sur la production de briquettes de charbons, et non sur ses performances énergétiques.As we can see, most of his inventions are essentially based on the production of coal briquettes, and not on their energy performance.

Si hier, l’objectif est juste d’innover à travers la production de charbons écologiques, l’enjeu aujourd’hui est tout autre : il s’agit de mettre l’accent sur les performances du charbon écologique en vue d’une substitution convenable du charbon de bois / bois de feu face aux défis d’atténuation des effets du changement climatique.If yesterday, the objective was just to innovate through the production of ecological coal, the challenge today is quite different: it is a question of emphasizing the performance of ecological coal with a view to substitution suitability of charcoal/fuelwood in the face of the challenges of mitigating the effects of climate change.

C’est bien à cela que la présente invention s’attelle à faire. L’originalité se trouve également dans l’utilisation de différentes matières premières dans des proportions optimales en vue d’une amélioration qualitative du charbon écologique obtenu. Cette étude repose sur un modèle analytique dénommé « Maréchar, » ainsi désigné le maréchar des charbons écologiques d’où le terme consacré « charbon écologique à forte efficacité énergétique ».This is what the present invention sets out to do. The originality is also found in the use of different raw materials in optimal proportions with a view to improving the quality of the ecological coal obtained. This study is based on an analytical model called “Maréchar”, thus designated the marsh of ecological coal, hence the dedicated term “ecological coal with high energy efficiency”.

En effet, il existe plusieurs types de briquettes sur le marché qui :In fact, there are several types of briquettes on the market which:

- soit, ne sont pas promus du fait de leurs faibles performances énergétiques comparativement au charbon de bois ;- either, are not promoted due to their low energy performance compared to charcoal;

- ou soit, ils sont compétitifs mais coûteux.- or, they are competitive but expensive.

Au regard de la chaîne de production des biocombustibles solides (briquettes de charbon), il convient de faciliter l’approvisionnement en mettant l’accent sur des matières premières appropriées et disponibles, susceptibles de contribuer à l’obtention de biocombustibles solides à forte efficacité énergétique et à moindre coût.With regard to the production chain of solid biofuels (coal briquettes), it is appropriate to facilitate supply by placing emphasis on appropriate and available raw materials, likely to contribute to obtaining solid biofuels with high energy efficiency. and at lower cost.

Les briquettes de charbons fabriqués dans le cadre de cette étude, identifiés sous le vocable « Charbon Ecologique à Forte Efficacité Energétique : charbon EFEE » est inspiré d’un procédé d’optimisation basé non seulement sur le choix optimal de matières premières mais aussi et surtout sur la nature de la formulation du mélange (proportion des différents intrants) devant permettre d’obtenir un charbon de qualité.The charcoal briquettes manufactured as part of this study, identified under the term “High Energy Efficiency Ecological Charcoal: EFEE charcoal” are inspired by an optimization process based not only on the optimal choice of raw materials but also and above all on the nature of the formulation of the mixture (proportion of the different inputs) which should make it possible to obtain quality coal.

Dans la présente invention, la matière première utilisée est de la famille de Ceasalpiniaceae : Delonix Regia est un arbre qui génère des fruits sous forme de gousse de 30-60 cm de long et 5-7 cm de large, lesquels constituent une biomasse abondante pour la valorisation énergétique.In the present invention, the raw material used is from the Ceasalpiniaceae family: Delonix Regia is a tree which generates fruits in the form of a pod 30-60 cm long and 5-7 cm wide, which constitute an abundant biomass for energy recovery.

Le charbon écologique à forte efficacité énergétique fabriqué à partir de cette matière première présente des performances énergétiques très proches de celles du charbon de bois, de par sa forme géométrique et sa composition physicochimique. Composé majoritairement des gousses du Delonix Regia dans des proportions étudiées de 90%, puis de l’argile à hauteur de 10%, le charbon écologique à forte efficacité énergétique est sous forme de cylindres concentriques, présentant un trou de diamètre 40 mm au milieu : l’objectif de cette géométrie particulière, est d’augmenter le phénomène de transfert de chaleur lors de la combustion des briquettes (convection & conduction). Cette forme géométrique du charbon écologique à forte efficacité énergétique découle d’une presse hydraulique munie de moules sous forme de cylindres concentriques avec un trou au centre. Les figures 1 & 4 présentent respectivement la géométrie du charbon écologique à forte efficacité énergétique obtenu et le moulage de la presse hydraulique.The highly energy efficient ecological charcoal made from this raw material has energy performance very close to that of charcoal, due to its geometric shape and its physicochemical composition. Composed mainly of Delonix Regia pods in studied proportions of 90%, then clay at 10%, the ecological coal with high energy efficiency is in the form of concentric cylinders, presenting a 40 mm diameter hole in the middle: the objective of this particular geometry is to increase the phenomenon of heat transfer during the combustion of the briquettes (convection & conduction). This geometric shape of ecological, highly energy efficient coal comes from a hydraulic press equipped with molds in the form of concentric cylinders with a hole in the center. Figures 1 & 4 respectively show the geometry of the energy-efficient ecological coal obtained and the casting of the hydraulic press.

Soumis à différents tests de performances énergétiques tels que les tests de résistance au choc, les tests de résistance à l’effritement, les tests de combustion, les tests d’ébullition, le Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI), outre le taux d’humidité et le taux de cendre qui représentent des paramètres de base communs à toutes recherches antérieures, il ressort que ce charbon écologique à forte efficacité énergétique présente un meilleur temps d’ébullition d’eau comparativement à celui du charbon de bois (soit 9min24s) et s’avère très économique pour les cuissons de longues durées (cas du voandzou et du haricot). Son PCI est de l’ordre de 30,61 MJ/Kg (soit 98,82 % du PCI du charbon de bois qui est de l’ordre 30,97MJ/Kg). Le charbon écologique présente donc les meilleures performances (Cf. Tableau 1).Subjected to various energy performance tests such as impact resistance tests, crumbling resistance tests, combustion tests, boiling tests, Lower Calorific Value (LCV), in addition to humidity level and the ash rate which represent basic parameters common to all previous research, it appears that this ecological coal with high energy efficiency has a better water boiling time compared to that of charcoal (i.e. 9min24s) and s It turns out to be very economical for long-term cooking (case of voandzou and beans). Its PCI is of the order of 30.61 MJ/Kg (i.e. 98.82% of the PCI of charcoal which is of the order of 30.97MJ/Kg). Ecological coal therefore presents the best performance (Cf. Table 1).

B- B- Effritement de la briquette Crumbling of the briquette Résistance au choc Shock resistance Durée d’allumage (min) Ignition duration (min) Appréciation à l’allumage Appreciation at ignition Appréciation à la combustion Combustion assessment Fumée Smoke Odeur Smell Charbon de bois Charcoal Aucun None Très bonne Very good 2min6s - 2min6s - Rapide Fast Satisfaisant ' Satisfying ' Néant None Inodore Odorless Charbon écologique à forte efficacité énergétique Ecological coal with high energy efficiency Aucun None Bonne Good 1min4s 1min4s Très rapide Very fast Satisfaisant Satisfying Néant. Nothing. Inodore Odorless

Tableau 1 : Paramètres techniques du charbon écologique à forte efficacité énergétiqueTable 1: Technical parameters of environmentally friendly coal with high energy efficiency

La figure 2 illustre bien la réactivité du charbon écologique à forte efficacité lors de la combustion. La figure 3 montre par contre le sens d’évolution de la chaleur au sein de l’échantillon de charbon ; En effet, la chaleur se propage de l’extérieur vers l’intérieur justifiant ainsi la forme géométrique adoptée. Mieux, une fois au cœur de l’échantillon de charbon, le trou au milieu constitue un puits de chaleur. Cette chaleur est restituée vers la fin de la combustion du charbon, et constitue une sorte de réserve en présence des cendres (produits de la combustion du charbon) ; Ce procédé est inspiré du modèle cinétique appelé « Shrinking Core Model ».Figure 2 clearly illustrates the reactivity of high-efficiency ecological coal during combustion. Figure 3, on the other hand, shows the direction of evolution of the heat within the coal sample; In fact, heat propagates from the outside to the inside, thus justifying the geometric shape adopted. Better, once at the heart of the coal sample, the hole in the middle constitutes a heat sink. This heat is released towards the end of the combustion of the coal, and constitutes a sort of reserve in the presence of ashes (products of coal combustion); This process is inspired by the kinetic model called “Shrinking Core Model”.

Claims

1. Process for producing ecological coal with high energy efficiency based on several well-defined production stages, namely:

- drying the Delonix Regia pods;

- carbonization of dried Delonix Regia pods;

- the grinding of charcoal resulting from the carbonization of dried Delonix Regia pods;

- the mixture of the ground material (powder) of the coal resulting from the carbonization of dry biomass and clay in the proportions of 90% of the ground material (powder) of the coal resulting from the carbonization of dried Delonix Regia pods and 10% of 'clay ;

- molding and compacting the mixture previously obtained from a hydraulic press;

- drying of ecological coals with high energy efficiency.

2. Process for producing ecological coal according to claim 1 where the step of drying the Delonix Regia pods consists of recovering the pods without the seeds, then crushing them into medium-sized particles and drying them to obtain pod particles dry.

3. Process for producing ecological coal according to claim 1 wherein the step of carbonizing the Delonix Regia pods further consists of the carbonization of the particles of dry Delonix Regia pods to obtain particles of carbonized pods in the form of charcoal. using a carbonizer.

4. Process for producing ecological coal according to claim 1 wherein the step of grinding the particles of carbonized Delonix Regia pods consists of transforming the particles of carbonized Delonix Regia pods into coal powder using a crusher. hammers.

5. Process for producing ecological charcoal according to claim 1 where the mixing step consists of mixing ground material (powder) of charcoal from dried Delonix Regia pods and clay in the proportions of 90% of the ground material (powder) charcoal from the carbonization of dried Delonix Regia pods and 10% clay in the presence of water.

6. Process for producing ecological coal according to claim 1 where the molding and compacting step consists of loading the cylinders of the hydraulic press with the mixture previously obtained, then compressing it in order to obtain, during demoulding, the samples of ecological coals with high energy efficiency (Cf. figure 1).

7. Process for producing ecological coal according to claim 1 where the step of drying the ecological coals with high energy efficiency consists of drying the ecological coals obtained in order to make them sufficiently dry for combustion.

8. Ecological coal with high energy efficiency obtained according to the method of claim 1, characterized in that said ecological coal has a cylindrical and concentric shape.

9. Ecological coal with high energy efficiency obtained according to the process of claim 1, characterized in that it is in the form of concentric cylinders with a central hole of 40 mm in diameter.

10. Ecological charcoal with high energy efficiency obtained according to the process of claim 1, having a better water boiling time compared to that of charcoal (i.e. 9min24s), very economical for long cooking times and a Power Lower Calorific (PCI) of the order of 30.61 MJ/Kg.

11. Ecological coal with high energy efficiency obtained according to the process of claim 1, said coal can be used in any type of stove.

12. Ecological charcoal with high energy efficiency obtained according to the process of claim 1, characterized by its ease of ignition using ordinary fire starters (wood chips, palm nut cakes, etc.).