WO2020120161A1 - Procédé de séchage intégré avec stockage et restitution d'énergie par adsorption - Google Patents

Procédé de séchage intégré avec stockage et restitution d'énergie par adsorption Download PDF

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WO2020120161A1
WO2020120161A1 PCT/EP2019/083009 EP2019083009W WO2020120161A1 WO 2020120161 A1 WO2020120161 A1 WO 2020120161A1 EP 2019083009 W EP2019083009 W EP 2019083009W WO 2020120161 A1 WO2020120161 A1 WO 2020120161A1
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WO
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flow
air
drying
storage system
temperature
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Application number
PCT/EP2019/083009
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English (en)
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Catherine Laroche
Elsa Muller
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IFP Energies Nouvelles
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • F26B21/02—Circulating air or gases in closed cycles, e.g. wholly within the drying enclosure
    • F26B21/022—Circulating air or gases in closed cycles, e.g. wholly within the drying enclosure with provisions for changing the drying gas flow pattern, e.g. by reversing gas flow, by moving the materials or objects through subsequent compartments, at least two of which have a different direction of gas flow
    • F26B21/028—Circulating air or gases in closed cycles, e.g. wholly within the drying enclosure with provisions for changing the drying gas flow pattern, e.g. by reversing gas flow, by moving the materials or objects through subsequent compartments, at least two of which have a different direction of gas flow by air valves, movable baffles or nozzle arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/10—Greenhouse gas [GHG] capture, material saving, heat recovery or other energy efficient measures, e.g. motor control, characterised by manufacturing processes, e.g. for rolling metal or metal working

Definitions

  • the present invention is in the field of energy storage. More particularly, it relates to the storage of thermal energy by adsorption / desorption on a solid of the zeolite or related solid type making it possible to improve the energy efficiency of a drying process; thermal energy is stored during off-peak periods (waiting period) and returned to the drying unit during peak periods (production period).
  • the sources of fatal heat are very diverse: they can be energy production sites (nuclear power plants), industrial production sites, tertiary buildings that emit heat the more they consume it such as hospitals, closed transport networks, or disposal sites such as thermal waste treatment units.
  • Sensitive heat storage systems are characterized by an energy density (expressed in kWh / m 3 for example) which becomes advantageous when the temperatures of the stored heat are very high (typically 300-400 ° C). For lower temperatures, the energy density of the sensitive heat storage system is reduced, leading to a large footprint of the storage system, which is therefore difficult and expensive to install in a factory. By the way, this guy storage can have significant heat losses thereby generating lower recoverable energy during periods when it is used.
  • the invention relates to an integrated drying process by air circulation with storage and return of thermal energy comprising at least one peak phase and at least one hollow phase of said drying, in which part of the heat necessary for drying is supplied.
  • a primary heating unit (1001) to the drying unit (1002) by a primary heating unit (1001), and at least another part of the heat necessary for drying is supplied to the drying unit (1002) by a thermochemical storage system (1003 ) which in turn allows:
  • thermochemical storage system (1003) comprising thermochemical storage means by adsorption / desorption of water on at least one microporous solid. of zeolite or related type, air circulation means comprising at least: a first pipe between the primary heating unit (1001) and the drying unit (1002); a second line between the drying unit (1002) and the thermochemical storage system (1003) and a third line between the thermochemical storage system (1003) and the primary heating unit (1001) and the method may include: following steps :
  • the primary heating unit (1001) provides a flow (101) of hot and dry air at a temperature between 50 and 500 ° C and at an absolute humidity level between 0 and 50 g / kg at l 'drying unit (1002);
  • thermochemical storage system At least part of the heat stored by said thermochemical storage system is transmitted to said air circulation means, to form a flow of hot air (105) leaving said thermochemical storage system (1003) at a temperature Te included between 50 ° C and 400 ° C, preferably between 50 ° C and 300 ° C allowing the drying unit (1002) to be supplied at least in part with hot and dry air.
  • the drying unit is maintained at temperature by circulation of a flow of hot and dry air coming from the primary heating unit (1001), of temperature between 50 and 500 ° C and absolute humidity between 0 and 50 g / kg;
  • thermochemical 1003 for desorbing the water adsorbed during the peak phase on said thermochemical storage system and storing heat.
  • the drying operation can be carried out in semi-continuous or batch mode.
  • the portion of said slightly cooled dry air flow (102) sent to the thermochemical storage system (1003) in the hollow phase represents a mass fraction greater than 50% of the flow (102) leaving the drying unit (1002 ), preferably greater than 80%.
  • the drying operation is carried out in intermittent mode and in the hollow phase at least part of the flow (101) leaving the primary heating unit (1001) is sent directly to the thermochemical storage system (1003).
  • thermochemical storage system An additional outside air can be made at the inlet of the thermochemical storage system to regulate the temperature of the flow (104) by means of an external air flow (103) of temperature preferably between -10 and 40 ° C and absolute humidity level preferably between 0 and 50 g / kg.
  • Said primary heating unit (1001) can be supplied at least in part with an outside air flow (106), with a temperature preferably between -10 and 40 ° C and an absolute humidity level preferably between 0 and 50 g / kg.
  • thermochemical storage system (1003) in peak phase.
  • thermochemical storage system (1003) When the outflow (105) of said thermochemical storage system (1003) has a temperature higher than that of the outside air and an absolute humidity rate of less than 50 g / kg, said heating unit can be supplied at least in part primary (1001) with at least part of said flow leaving said thermochemical storage system (1003) in the hollow phase.
  • the drying unit (1002) can be supplied directly by the air from the thermochemical storage system (1003) in peak phase by means of a short-circuit pipe.
  • thermochemical storage system comprising thermochemical storage means (1003) by adsorption / desorption of water vapor;
  • means for circulating an air flow comprising at least: a first pipe allowing the circulation of an air flow between the primary heating unit (1001) and the drying unit (1002); a second pipe allowing the circulation of an air flow between the thermochemical storage means (1003) and the drying unit (1002); a third pipe allowing the circulation of an air flow between the thermochemical storage means (1003) and the primary heating unit (1001).
  • the air circulation means can comprise a short-circuit pipe between the thermochemical storage system (1003) and the drying unit (1002) allowing the direct supply of the drying unit (1002) by the air from the thermochemical storage system (1003).
  • the air circulation means can comprise a short-circuit pipe between the primary heating unit (1001) and the thermochemical storage system (1003) making it possible to directly send part of the flow leaving the said primary heating unit. (1001) to the thermal storage means (1003).
  • FIG. 1 represents a schematic diagram of the process according to the invention, in peak phase.
  • FIG. 2 represents a schematic diagram of the process according to the invention, in the hollow phase, in a batch or semi-continuous operating mode.
  • FIG. 3 represents a schematic diagram of the process according to the invention, in the hollow phase, in an intermittent operating mode.
  • FIG. 1 to 3 illustrate the invention without limitation.
  • FIG. 4 represents a diagram of a drying process according to the prior art, without the use of thermochemical storage means.
  • air flows are expressed in kg of humid air / hour.
  • air circulation means any means known to those skilled in the art, in particular pipe, blower, compressor, fan, pump ...
  • the term "primary heating unit” means any unit using heating means using any energy source, renewable, recovery or fossil.
  • the primary heating unit can thus be electric, solar, fueled ...
  • drying unit means any device making it possible to reduce the water content of a wet product by exposure to a flow of air, preferably hot and dry.
  • hot and dry and cooled and humid are understood to be relative. This means that if the hot and dry air flow (at the inlet of the peak phase drying unit, or at the outlet of the hollow phase drying unit) has a temperature T1 and an absolute humidity rate T2, the flow of cooled and humid air (at the outlet of the drying unit) has a temperature T2 lower than T1, and an absolute humidity rate H2> H1.
  • thermochemical storage system means any adsorption system involving a solid / gas couple.
  • the main adsorbent materials known to those skilled in the art are porous materials with a large specific surface such as silica gels, alumino-phosphates, silico-phosphates and zeolites.
  • Adsorption corresponds to the reversible fixing of gas molecules on the surface of the adsorbent solid. This phenomenon is exothermic, therefore gives off heat (discharge of thermal energy). Desorption corresponds to the release of gas molecules from the surface of the solid. This phenomenon is endothermic, therefore consumes heat (storage of thermal energy).
  • thermochemical material used for heat storage is preferably a microporous solid of the zeolite or related type, as described for example in application US201 1/0146939.
  • This thermochemical storage system uses the enthalpy of sorption of a fluid (for example water) brought into play during an adsorption / desorption cycle of said fluid on the thermochemical material.
  • sorption thermal storage systems are known to have an attractive energy density and generally greater than that of Phase Change Materials (typically of the order of 100 to 250 kWh / m 3 ) for stored temperatures of the order of 100 to 250 ° C.
  • the present invention provides a thermochemical storage system making it possible, during the discharge phase, to supply the drying process in production with an air flow whose quality in terms of temperature and absolute humidity is compatible with the required air quality. , namely hot and dry air.
  • thermochemical storage system admits as an input flow, an air flow whose quality in terms of temperature and absolute humidity is compatible with the quality of the air released by a drying process. , i.e. cool, moist air.
  • the thermochemical storage system admits as input flow, the air flow rejected by the drying unit during the off-peak period during which the unit is maintained at temperature. This hot and dry air flow has the qualities required for charging the thermochemical storage system.
  • this solution also makes it possible to take advantage of the quality in terms of temperature and absolute humidity of the gaseous effluents discharged by the drying unit, while providing this same unit with an air flow with the required qualities. in terms of temperature and absolute humidity to perform the drying operation.
  • microporous solids of zeolite or related type preferred in the context of the invention are aluminosilicates, such as for example zeolite A, of structural type LTA, zeolites LSX, MSX, X and Y, of structural type FAU, and Si / Al ratio respectively equal to 1, 1 .1, 1 .2 and 2.7 or more, the EMT zeolite of structural type EMC-2, but also the aluminophosphates, designated AIPO, such as for example AIPO-18 of structural type AEI or AIPO-LTA of structural type LTA, the silico-aluminophosphates, designated SAPO, such as for example SAPO-34 of structural type CHA, as well as MOF (Metal Organic Framework) such as UIO-66, MIL-101, HKUST.
  • AIPO aluminophosphates
  • SAPO silico-aluminophosphates
  • SAPO-34 of structural type CHA
  • MOF Metal Organic Framework
  • zeolites and related microporous materials form crystals (generally in the form of powder), the use of which in storage is particularly difficult (lack of homogeneity of the crystals within the storage, significant pressure losses).
  • crystals generally in the form of powder
  • the use of which in storage is particularly difficult lassion of homogeneity of the crystals within the storage, significant pressure losses.
  • agglomerated forms of these crystals in the form of grains, yarns and other agglomerates, these said forms being obtainable by extrusion, tableting, and other agglomeration techniques known to those skilled in the art.
  • These agglomerates do not have the drawbacks inherent in pulverulent materials.
  • agglomerates whether in the form of platelets, beads, extrudates, and the like, generally consist of crystals of zeolite (s), which constitute the active element (in the sense of adsorption) and d '' a binder intended to ensure the cohesion of the crystals in the form agglomerates and give them sufficient mechanical strength to guarantee a service life of several years.
  • zeolite s
  • d '' a binder intended to ensure the cohesion of the crystals in the form agglomerates and give them sufficient mechanical strength to guarantee a service life of several years.
  • Cationic zeolites can be used in sodium form (generally the form obtained after synthesis) or exchanged with alkaline or alkaline-earth cations.
  • the gaseous effluent discharged from the drying unit consisting of humid air
  • the storage system In the peak phase, the gaseous effluent discharged from the drying unit, consisting of humid air, is reinjected in whole or in part into the storage system, after possible mixing with additional air.
  • Water, in the form of vapor, contained in the flow of air injected into the thermochemical storage system is adsorbed on the thermochemical material, generating heat which is transmitted to the air.
  • the flow leaving the storage system is thus a flow of dry and hot air, which can then be sent, after possible mixing with additional air, either directly into the drying unit, if the temperature reached by the air flow corresponds to the required temperature, i.e. in an air heating system to reach the required temperature.
  • the air heating system supplies air at a temperature possibly reduced compared to the temperature of the peak phase.
  • This air is either injected into the drying unit, or injected directly into the storage system.
  • the air from the primary heating unit is injected into the drying unit to maintain in temperature the drying unit.
  • the gaseous effluent at the outlet of the dryer is then hot and dry air, corresponding to the air supplied by the air heating system after slight cooling due to thermal losses during passage through the unit. drying.
  • This air flow has the qualities required to be injected into the thermochemical storage system, and will make it possible to desorb the water contained in the thermochemical material.
  • the hot flow from the primary air heating unit can be sent directly to the thermochemical storage system without passing through the drying unit.
  • thermochemical storage system makes it possible to use, under certain conditions, part of the amount of heat released by the drying process.
  • the invention also relates to the device making it possible to implement any of the variants of the integrated drying process described.
  • an air heating unit (1001) implementing an air heating system, for example supplied with fuel (typically natural gas).
  • This air heating unit (1001) supplies the air which feeds the drying unit (1002) at the desired temperature for drying the product contained in the drying unit.
  • the thermochemical storage system (1003) is integrated into this device, and makes it possible to supply calories to the air flow supplying the drying unit in peak phase, and to store the excess calories in the hollow phase. There are two phases of operation of this system:
  • the drying unit contains a product to be dried and is supplied with an air flow (101) from the primary air heating unit (1001).
  • the air flow (101) leaves the primary heating unit (1001) at a temperature advantageously between 50 ° C and 500 ° C, preferably between 100 ° C and 400 ° C. Its absolute humidity level is between 0 and 50 g / kg, preferably between 0 and 20 g / kg, and very preferably between 0 and 10 g / kg. It is sent to the drying unit (1002) where it is used to dry the product contained in the drying unit.
  • the cooled and humid air flow (102) leaves the drying unit (1002) at a temperature advantageously between 25 ° C and 400 ° C, preferably between 25 ° C and 300 ° C, and very preferred between 25 ° C and 200 ° C, and an absolute humidity level between 20 and 2000 g / kg.
  • the air flow (102) can optionally exit from the drying unit at several discharge points, at different temperatures and absolute humidity levels, but included in the range mentioned above. At least part of this flow (102) is withdrawn to constitute the flow (102 '), with the same temperature and absolute humidity as the flow (102), which is directed to the storage system (1003), while that the flow (102 ”) resulting from the sharing of the flow (102) leaves the process.
  • This flow (102 ”) is for example directed towards a vent, towards a system of treatment of gaseous discharges, or towards an energy recovery system.
  • the air flow from this mixture constitutes the air flow (104), the temperature of which is advantageously between 25 ° C and 200 ° C, preferably between 25 ° C and 150 ° C, and the rate of absolute humidity advantageously between 20 and 200 g / kg, preferably between 20 and 150 g / kg.
  • This stream (104) is sent to the thermochemical storage system (1003) where it is heated by the heat released by the adsorption of the water present in the stream (104) in vapor form on the thermochemical material contained in the system. storage (1003).
  • the flow (105) leaving the storage system (1003) has a temperature greater than the flux (104), advantageously between 50 ° C and 400 ° C, preferably between 50 ° C and 300 ° C.
  • Its absolute humidity level is advantageously between 0 and 200 g / kg, preferably 0 and 50 g / kg, very preferably between 0 and 20 g / kg and even more preferably between 0 and 10 g / kg .
  • the heated stream (105) can optionally be sent directly to the drying unit (1002) if its absolute humidity level is less than 50 g / kg, preferably less than 20 g / kg and preferably less than 10 g / kg, and if its temperature is sufficient for drying. If this is not the case, the flow (105) is then sent, in whole or in part, into the air heating system (1001) in the form of the flow (105 ') to raise its temperature to the temperature required for drying.
  • the flow (105 ”) resulting from the possible sharing of the flow (105) leaves the process. This flow (105 ”) is for example directed towards a vent, towards a system of treatment of the gaseous discharges, or towards a system of energy recovery.
  • the flow rate of the air flow (101) injected into the drying unit (1002) is the result of the division of the air flow (102) leaving the drying unit (1002) to form the air flow (102 '), and the air complement flow rates (103) and (106).
  • the additional air is provided by the air flow (103) only, and the air flow (106) has a zero flow.
  • the Applicant has found that this way of operating, although a priori not favorable from a point of view of the pressure drop in the storage system (1003), makes it possible to reach temperatures at the inlet of the unit. primary heating (1001) higher, and therefore reduce the energy consumption of the heating unit.
  • the absolute humidity is expressed in g of water / kg of dry air. Unless otherwise indicated, the flow rates are expressed in kg of humid air / h. Hollow phase
  • the drying unit no longer contains the product to be dried, but it is maintained in temperature by being supplied by an air flow (101) coming from the primary air heating unit (1001).
  • the air flow (101) leaves the primary heating unit (1001) at a temperature, which can be reduced compared to the temperature of the same air flow during the peak phase.
  • the temperature of the air flow (101) is advantageously between 50 ° C and 500 ° C, preferably between 100 ° C and 400 ° C.
  • Its absolute humidity level is advantageously between 0 and 50 g / kg, preferably between 0 and 20 g / kg and preferably between 0 and 10 g / kg. It is sent to the drying unit (1002) to maintain the temperature of the drying unit.
  • the air flow can undergo some thermal losses in the drying unit (1002) and exit in the form of the flow (102) at a temperature advantageously between 25 ° C and 450 ° C, preferably between 100 ° C and 350 ° C, but its absolute humidity is always between 0 and 50 g / kg, preferably between 0 and 20 g / kg and preferably between 0 and 10 g / kg.
  • the air flow (102) can optionally exit from the drying unit at several discharge points, at different temperatures and absolute humidity levels, but included in the range mentioned above.
  • Part of this flow (102) is withdrawn to constitute the flow (102 '), with the same temperature and absolute humidity as the flow (102), which is directed to the storage system (1003), while the flow (102 ”) resulting from the sharing of flow (102) leaves the process.
  • This flow (102 ”) is for example directed towards the vent, towards a system of treatment of gaseous discharges, or towards an energy recovery system.
  • the majority of the flow (102) is advantageously directed to the storage system, that is to say that the flow (102 ') constitutes a fraction greater than 50% of the flow (102), preferably greater than 80%.
  • the air flow (102 ') can be mixed with an external air flow (103), to regulate the temperature of the flow (104) thus formed entering the storage system.
  • the outside air flow (103) has a temperature advantageously between -10 ° C and 40 ° C, preferably between 10 ° C and 30 ° C, and with an absolute humidity level between 0 and 50 g / kg, preferably between 0 and 20 g / kg and preferably between 0 and 10 g / kg.
  • the air flow from this mixture constitutes the air flow (104), the temperature of which is between 25 ° C and 400 ° C, preferably between 100 ° C and 350 ° C, and the humidity absolute advantageously between 0 and 50 g / kg, preferably between 0 and 20 g / kg and preferably between 0 and 10 g / kg.
  • This flow (104) is sent to the storage system (1003) where it will desorb the water adsorbed during the peak phase on the thermochemical material contained in the storage system (1003).
  • the stream (105) leaving the storage system (1003) will be charged with moisture, and at a temperature below the stream (104), between 10 ° C and 400 ° C, preferably between 10 ° C and 350 ° C .
  • the flow (105) can either leave the process, totally or partially in the form of a flow (105 ”), which will be directed to the vent, to a system for treating gaseous discharges, or to an energy recovery system, either sent to the air heating system (1001) in the form of a flow (105 '), if its temperature is higher than the temperature of the outside air, and if its humidity is less than 50 g / kg, preferably less than 20 g / kg and preferably less than 10 g / kg.
  • the air entering the primary heating unit (1001) consists of either an external air flow (106) with a temperature advantageously between -10 ° C and 40 ° C, preferably between 10 ° C and 30 ° C, and absolute humidity level between 0 and 50 g / kg, preferably between 0 and 20 g / kg, and preferably between 0 and 10 g / kg, or of the air flow (105 ') described above if its temperature is higher than the outside air temperature and if its humidity is lower than 50g / kg, preferably lower than 20g / kg and preferably lower than 10 g / kg, that is to say of a mixture of the two flows.
  • the absolute humidity is expressed in g of water / kg of dry air.
  • the drying unit (1002) contains the product to be dried, and the objective is to suspend or reduce the supply of hot air to the drying unit.
  • the air flow (101) leaves the primary heating unit from the primary heating unit (1001) at a temperature, which is preferably reduced relative to the temperature of this same air flow during the phase peak.
  • the temperature of the air flow (101) is advantageously between 50 ° C and 500 ° C, preferably between 100 ° C and 400 ° C.
  • Its absolute humidity level is advantageously between 0 and 50 g / kg, preferably between 0 and 20 g / kg and preferably between 0 and 10 g / kg. All or part (101 ') of the air flow (101) is directed directly to the storage system (1003).
  • the rest of the air flow resulting from the possible division of the air flow (101) forms the flow (101 ”) sent to the drying unit (1002).
  • This flow (101 ”) can for example have a zero flow during operation in intermittent drying mode of on / off type, for which the supply of hot air to the drying unit is suspended during this period.
  • the air flow (102) at the outlet of the drying unit (1002) leaves the process in the form of a flow (102 ”) directed for example towards the vent, towards a system for treating gaseous discharges, or to an energy recovery system, and / or be directed to the storage system (1003) in the form of a stream (102 ').
  • the flow (104), consisting of the flow (101 ') plus a possible flow (102'), has a temperature between 25 ° C and 450 ° C, preferably between 100 ° C and 350 ° C, and a absolute humidity advantageously between 0 and 50 g / kg, preferably between 0 and 20 g / kg and preferably between 0 and 10 g / kg.
  • This flow (104) is sent to the storage system (1003) where it will desorb the water adsorbed during the peak phase on the thermochemical material contained in the storage system (1003).
  • the stream (105) leaving the storage system (1003) will be charged with moisture, and at a temperature below the stream (104), between 10 ° C and 400 ° C, preferably between 10 ° C and 350 ° C .
  • the flow (105) can either leave the process, totally or partially in the form of a flow (105 ”), which will be directed to the vent, to a system for treating gaseous discharges, or to an energy recovery system, either sent to the air heating system (1001) in the form of a flow (105 '), if its temperature is higher than the temperature of the outside air, and if its humidity is less than 50 g / kg, preferably less than 20 g / kg and preferably less than 10 g / kg.
  • the air entering the primary heating unit (1001) consists of either an external air flow (106) with a temperature advantageously between -10 ° C and 40 ° C, preferably between 10 ° C and 30 ° C, and absolute humidity level between 0 and 50 g / kg, preferably between 0 and 20 g / kg and preferably between 0 and 10 g / kg, i.e. of the air flow (105) described above if its temperature is higher than the outside air temperature and if its humidity is less than 50g / kg, preferably less than 20g / kg and preferably less than 10 g / kg, or a mixture of these two flows.
  • the fact of at least partially supplying the primary heating unit (1001) with the flow (105), when the latter has a temperature higher than the outside air, allows a gain in energy consumption of the heating system of the primary heating unit (1001).
  • the absolute humidity is expressed in g of water / kg of dry air.
  • the process is advantageously applied in the food industry, cosmetics, pharmaceuticals, chemicals including plastics, paper and cardboard ...
  • This example concerns the configuration of a conventional drying process, without integration of a storage system.
  • This configuration is illustrated in Figure 4.
  • the duration of the peak phase is 16 hours, that of the hollow phase is 8 hours.
  • the air flow (106), at the inlet of the primary heating unit (1001), is composed of outside air at 15 ° C whose absolute humidity is 9 g of water / kg of dry air.
  • the flow rate of the flows (106), at the inlet of the primary heating unit, and of the flow (101) at the outlet of the primary heating unit, is 5000 kg / h.
  • the flow (101) leaves the primary heating unit (1001) at the set temperature setpoint of 400 ° C and is sent to the drying unit (1002).
  • the air flow (106) has a flow rate of 6000 kg / h, a temperature of 15 ° C and has an absolute humidity rate of 9 g of water / kg of dry air.
  • the flow (106) is heated in the heating system (1001) to reach an output temperature of 250 ° C, the output flow constituting the flow (101).
  • This stream (101) is sent to the drying unit (1002) in order to maintain the latter at the temperature of 225 ° C. while awaiting the next peak phase.
  • the stream (102) leaves the drying unit at a temperature of 225 ° C. and maintains the flow rate and the absolute humidity rate of the stream (101), namely 6000 kg / h and 9 g of water respectively. kg of dry air.
  • the flow then leaves the entire device and is not used in the process.
  • thermochemical storage system (1003) according to FIGS. 1 and 2 and for which, in the peak phase:
  • the duration of the peak phase is 16 hours, that of the hollow phase is 8 hours.
  • a stream of cooled, moist air leaves the drying unit (1002) to form the stream (102) which leaves at a temperature of 100 ° C. and at an absolute humidity level of 100 g of water / kg dry air.
  • Part of the flow (102) is withdrawn to constitute the flow (102 '), or 3 130.7 kg / h at an absolute humidity rate identical to the flow (102). No outside air is added, the flow (103) is zero for this configuration.
  • the flow (102 ') is therefore directed to the storage system (1003) (via the flow (104)) while the flow (102 ”) leaves the process.
  • the air in the stream (104) is heated within the storage system (1003) by the heat released by the adsorption of the water contained in this stream in the form of water vapor on the thermochemical material.
  • the air flow (105) then leaves the storage system at a temperature of 257.8 ° C and consists of completely dry air since all of the incoming moisture has been adsorbed on the thermochemical material. Its flow is then only 2846.1 kg / h, so the flow of water adsorbed during the peak phase is 284.6 kg / h.
  • the flow (106) is 6000 kg / h, at a temperature of 15 ° C and has an absolute humidity rate of 9 g of water / kg of dry air.
  • the stream (106) is heated in the heating system (1001) to reach the temperature (250 ° C) at the outlet (101).
  • This stream (101) is sent to the drying unit (1002) in order to maintain it at the temperature of 225 ° C. while awaiting the next peak phase.
  • the stream (102) leaving the drying unit has a temperature of 225 ° C and maintains the flow rate and the absolute humidity of the stream (101).
  • This flow is sent in full and without additional addition of air to the storage system (1003) where it will desorb the water which is adsorbed on the thermochemical material during the peak phase.
  • the flow (105) leaving the storage system (1003) is therefore loaded with moisture.
  • the stream (105) is at a temperature of 61.2 ° C and its humidity is 104 g of water / kg of dry air. This flow is then completely exited from the process via the flow (105 ”).
  • This example concerns the configuration according to FIGS. 1 and 2 for which, during the peak phase, an air make-up in the form of an additional air flow (103) is carried out at the inlet of the storage system (1003) and for which there is no addition of additional air (106) at the inlet of the primary heating unit (1001).
  • the duration of the peak phase is 16 hours, that of the hollow phase is 8 hours.
  • a flow of cooled and humid air leaves the drying unit (1002) to constitute the flow (102), which leaves at a temperature of 100 ° C. and with a absolute humidity of 100 g of water / kg of dry air. Only part of the stream (102) is withdrawn to constitute the stream (102 '), or 2,903.5 kg / h at an absolute humidity rate identical to the stream (102).
  • An additional air flow (103) of 2381, 1 kg / h at 15 ° C and an absolute humidity rate of 9 g of water / kg of air is added to the flow (102 ') in order to have the hot air flow required at the inlet of the drying unit (1002).
  • the stream (104), mixture of the streams (102 ') and (103), therefore has a flow rate of 5284.6 kg / h, its mixing temperature is 71 ° C and its absolute humidity is 57 g water / kg dry air.
  • This flow is directed to the storage system (1003) and heated by the heat released by the adsorption of the water contained in this flow in the form of water vapor on the thermochemical material.
  • the flow (105) then leaves the storage system at a temperature of 247.2 ° C and completely dry since all the incoming moisture has been adsorbed on the thermochemical material. Its flow is then no more than 5000 kg / h, so the flow of water adsorbed during the peak phase is 284.6 kg / h.
  • the flow (105) is then sent in its entirety (the flow (105 ”) is therefore zero) to the heating system (1001) in order to reach the temperature at the inlet of the drying unit (1002) fixed at 400 ° C.
  • the flow (106) has a flow rate of 6000 kg / h, a temperature of 15 ° C and has an absolute humidity rate of 9 g of water / kg of dry air.
  • the stream (106) is heated in the heating system (1001) to reach the temperature (250 ° C) at the outlet (101).
  • This stream (101) is sent to the drying unit (1002) in order to maintain it at the temperature of 225 ° C. while awaiting the next peak phase.
  • the flow (102) leaving the drying unit is therefore 225 ° C. and retains the flow rate and the absolute humidity rate of the flow (101).
  • This flow is sent in full and without additional addition of air to the storage system (1003) where it will desorb the water adsorbed on the thermochemical material during the peak phase.
  • the flow (105) leaving the storage system (1003) is therefore loaded with moisture.
  • the stream (105) is at a temperature of 61.2 ° C and its humidity is 104 g of water / kg of dry air. This flow is then entirely removed from the process via the flow (105 ’).
  • thermochemical storage system Due to the use of the thermochemical storage system, the entire flow of hot air leaving the storage system being sent to the primary heating unit, saving on natural gas consumed in the primary heating unit can be carried out, of the order of 65.9% in peak phase compared to the conventional drying process according to Example 1 and the waste heat from the temperature maintenance flow in the hollow phase can be valued.

Abstract

La présente invention concerne un procédé de séchage intégré par circulation d'air avec stockage et restitution d'énergie thermique comprenant au moins une phase de pointe et au moins une phase creuse dudit séchage, dans lequel une partie de la chaleur nécessaire au séchage est fournie à l'unité de séchage (1002) par une unité de chauffage primaire (1001), et au moins une autre partie de la chaleur nécessaire au séchage est fournie à l'unité de séchage (1002) par un système de stockage thermochimique (1003) qui permet alternativement de céder ou de stocker de la chaleur. L'invention concerne également le système apte à mettre en œuvre le procédé.

Description

Procédé de séchage intégré avec stockage et restitution d’énergie par adsorption.
Domaine technique
La présente invention se situe dans le domaine du stockage d’énergie. Plus particulièrement elle concerne le stockage d’énergie thermique par adsorption/désorption sur un solide de type zéolithe ou solide apparenté permettant d’améliorer l’efficacité énergétique d’un procédé de séchage ; l’énergie thermique étant stockée en période creuse (période d’attente) et restituée à l’unité de séchage en période de pointe (période de production).
Technique antérieure
Afin de répondre aux objectifs européens en matière de décarbonation de l’énergie, de développement d’énergies renouvelables et de réduction des émissions de gaz à effet de serre, des mesures réglementaires et des engagements ont été pris en France, et en Europe. L’amélioration de l’efficacité énergétique des industries consommatrices de chaleur, et la récupération de la chaleur fatale émise par les industries, sont deux axes qui peuvent contribuer de façon significative à la réalisation de ces objectifs.
On entend par « chaleur fatale » la partie de l’énergie apportée à un procédé de production ou de transformation qui n’est pas utilisée par le procédé et est inévitablement rejetée sous forme de chaleur. Cette chaleur est couramment appelée « chaleur perdue ». Cette appellation est en partie erronée, car c’est seulement si cette chaleur n’est pas récupérée qu’elle est perdue.
Les sources de chaleur fatale sont très diverses : il peut s’agir de sites de production d’énergie (les centrales nucléaires), de sites de production industrielle, de bâtiments tertiaires d’autant plus émetteurs de chaleur qu’ils en sont fortement consommateurs comme les hôpitaux, de réseaux de transport en lieu fermé, ou encore de sites d’élimination comme les unités de traitement thermique de déchets.
Les procédés de séchage sont des procédés industriels qui sont à la fois très consommateurs en énergie, ayant généralement recours à un combustible de type gaz et/ou au fioul pour chauffer l’air envoyé dans l’unité de séchage, et émetteurs d’une quantité importante de chaleur fatale.
En effet, environ 20% de la consommation de combustibles dans l’industrie sert à des procédés de séchage (données Ademe, d’après CEREN). Une grande partie de l’énergie utilisée dans les procédés de séchage est rejetée sous forme de chaleur fatale, contenue dans les rejets gazeux en sortie de séchoir.
Les procédés de séchage constituent en général une étape parmi un ensemble d’opérations conduisant à la fabrication d’un produit fini. Parmi les étapes de la chaîne de production, on peut citer la réception, puis le stockage de la matière première, ainsi que d’éventuelles étapes de préparation de la matière, préalables au séchage (par exemple des traitements mécaniques, et/ou thermiques), puis d’éventuelles étapes de post-traitement suite au séchage et enfin le conditionnement du produit et son expédition.
Certaines de ces étapes étant discontinues, l’enchainement des étapes ne permet généralement pas de réaliser l’opération de séchage en continu. Par conséquent, le procédé de séchage est le plus souvent opéré en batch ou de façon semi-continue.
Dans certains cas, le fonctionnement semi-continu du procédé de séchage est appliqué dans un but de gain d’efficacité énergétique. En effet, un mode de réalisation de procédé de séchage dit « intermittent » permet de réduire la consommation énergétique du procédé de séchage, tout en améliorant parfois la qualité des produits séchés. Ce mode, décrit dans “Intermittent drying of food products: A critical review” par Chandan Kumar et al., Journal of Food Engineering 121 (2014) 48-57, est le plus souvent réalisé en appliquant une stratégie marche/arrêt de la source d’énergie, c’est-à-dire en arrêtant et en redémarrant de façon périodique le système apportant l’énergie au procédé de séchage.
Pour un fonctionnement optimal des équipements, il est préférable de limiter les successions d’arrêts et redémarrages, préjudiciables à la durée de vie des équipements. Les procédés de séchage sont donc majoritairement opérés en continu, mais avec une succession de période(s) de pointe et de période(s) creuses. Pendant la période de pointe, l’unité de séchage contenant le produit à sécher, requiert un apport élevé en énergie, car il est alimenté avec de l’air chaud et sec. Pendant la période creuse, l’unité de séchage continue d’être alimenté en air à une température et un débit de préférence réduits par rapport à la température et au débit requis en pointe. Le choix de cette combinaison température et débit constitue un compromis entre l’énergie consommée pendant la période creuse avec maintien en température, et l’énergie requise pour remonter la température de l’unité de séchage jusqu’à la température de production. Pendant la période creuse, l’unité de séchage ne contient pas nécessairement le produit à sécher. Dans un objectif d’efficacité énergétique, une des solutions que l’homme du métier peut chercher à mettre en oeuvre consiste à valoriser la chaleur fatale, contenue dans les rejets gazeux en sortie de l’unité de séchage, pour l’apporter à un autre procédé ou un autre usage consommateur de chaleur. De façon similaire, une des solutions pour réduire la consommation énergétique de l’unité de séchage, consiste à utiliser de la chaleur fatale issue d’autres procédés pour préchauffer l’air envoyé dans l’unité de séchage.
Ces solutions sont souvent difficiles à mettre en oeuvre, en raison de problèmes de synchronisation lorsque la source de production de chaleur fatale et le puits de consommation ne sont pas reliés, s’agissant en effet de procédés différents. Par ailleurs, les rejets gazeux en sortie de l’unité de séchage sont souvent chargés en humidité, ce qui constitue le plus souvent un problème plutôt qu’un avantage.
Une des solutions pour récupérer la chaleur fatale tout en remédiant au problème de synchronisation est le stockage de la chaleur fatale émise par le procédé excédentaire en chaleur, qui peut ensuite être restituée au procédé consommateur de chaleur au moment où ce dernier a un besoin en chaleur.
L’utilisation d’un stockage de chaleur peut en effet permettre d’améliorer l’efficacité énergétique d’un procédé consommateur de chaleur, tel que le procédé de séchage, grâce au couplage avec une source de production de chaleur, notamment de chaleur fatale.
Néanmoins, l’utilisation d’un stockage de chaleur pour améliorer l’efficacité énergétique d’un procédé de séchage est peu documentée.
Le document US4337585 propose de récupérer la chaleur de l’effluent gazeux en sortie d’un séchoir de textile, à l’aide d’un système de stockage de chaleur sensible, constitué de plusieurs masses thermiques en forme de disque. L’air injecté dans l’unité de séchage peut alors être préchauffé au contact avec les masses thermiques chaudes.
Les systèmes de stockage de chaleur sensibles sont caractérisés par une densité énergétique (exprimée en kWh/m3 par exemple) qui devient intéressante lorsque les températures de la chaleur stockée sont très élevées (typiquement 300-400°C). Pour des températures plus faibles, la densité énergétique du système de stockage de chaleur sensible se réduit, conduisant à un encombrement au sol important du système de stockage, qui est par conséquent difficile et coûteux à implanter dans une usine. Par ailleurs, ce type de stockage peut présenter des pertes thermiques importantes générant de fait une énergie récupérable plus faible lors des périodes où il est sollicité.
D’autres systèmes existent, dans lesquels l’énergie thermique est stockée sous forme de chaleur latente correspondant au changement d’état du matériau utilisé (appelé Matériau à Changement de Phase (MCP ou PCM, pour Phase Change Materials)). Dans la gamme de températures de 100 à 250°C, la capacité de stockage thermique est supérieure à celle du stockage de chaleur sensible.
Une autre solution utilisée dans le domaine du séchage par exemple par Buhler Aeroglide consiste à faire circuler de nouveau une partie de l’effluent gazeux après contact avec le produit à sécher, afin de minimiser la quantité de rejets gazeux et ainsi améliorer l’efficacité énergétique. La recirculation de l’effluent gazeux humide se fait après mélange avec un appoint d’air extérieur sec, de façon à obtenir un taux d’humidité absolue de l’air adéquat pour réaliser le séchage du produit. Cette solution reste cependant limitée et ce d’autant plus que le produit à sécher a un contenu en eau élevé.
L’approche proposée dans l’invention permet de remédier à ces inconvénients en utilisant un système de stockage thermochimique intégré dans le dispositif de séchage, et en utilisant au moins une partie des rejets gazeux de l’unité de séchage pour fournir un air chaud et sec à cette même unité.
Résumé de l’invention
L’invention concerne un procédé de séchage intégré par circulation d’air avec stockage et restitution d’énergie thermique comprenant au moins une phase de pointe et au moins une phase creuse dudit séchage, dans lequel une partie de la chaleur nécessaire au séchage est fournie à l’unité de séchage (1002) par une unité de chauffage primaire (1001 ), et au moins une autre partie de la chaleur nécessaire au séchage est fournie à l’unité de séchage (1002) par un système de stockage thermochimique (1003) qui permet alternativement :
- en phase de pointe : de céder sa chaleur pour chauffer au moins une partie du flux d’air humide et refroidi sortant de ladite unité de séchage , afin de fournir un air sec et chaud à ladite unité de séchage;
- en phase creuse : de stocker la chaleur du flux d’air chaud et sec sortant de ladite unité de séchage et/ou du flux d’air chaud et sec sortant directement de l’unité de chauffage primaire. Ledit procédé peut mettre en oeuvre une unité de chauffage primaire (1001 ), une unité de séchage (1002), un système de stockage thermochimique (1003) comprenant des moyens de stockage thermochimique par adsorption/désorption d’eau sur au moins un solide microporeux de type zéolithe ou apparenté, des moyens de circulation d’air comprenant au moins : une première conduite entre l’unité de chauffage primaire (1001 ) et l’unité de séchage (1002); une deuxième conduite entre l’unité de séchage (1002) et le système de stockage thermochimique (1003) et une troisième conduite entre le système de stockage thermochimique (1003) et l’unité de chauffage primaire (1001 ) et le procédé peut comprendre les étapes suivantes :
a. une phase de pointe dans laquelle
- l’unité de chauffage primaire (1001 ) fournit un flux (101 ) d’air chaud et sec à une température comprise entre 50 et 500°C et à un taux d’humidité absolue compris entre 0 et 50 g/kg à l’unité de séchage (1002) ;
- au moins une partie du flux d’air refroidi et humide (102) sortant de l’unité de séchage (1002) après séchage du produit à une température comprise entre 25 et 400°C et à un taux d’humidité absolue compris entre 20 et 2000 g/kg alimente, éventuellement en mélange avec un flux d’air sec extérieur (103) ayant une température comprise entre -10 et 40°C et un taux d’humidité absolue comprise entre 0 et 50 g/kg , le système de stockage thermochimique (1003),
- au moins une partie de la chaleur stockée par ledit système de stockage thermochimique est transmise auxdits moyens de circulation d’air, pour former un flux d’air chaud (105) sortant dudit système de stockage thermochimique (1003) à une température Te comprise entre 50°C et 400°C, de préférence entre 50 °C et 300 °C permettant d’alimenter au moins en partie l’unité de séchage (1002) en air chaud et sec.
b. une phase creuse dans laquelle :
- l’unité de séchage est maintenue en température par circulation d’un flux d’air chaud et sec issu de l’unité de chauffage primaire (1001 ) ,de température comprise entre 50 et 500°C et de taux d’humidité absolue compris entre 0 et 50 g/kg ;
- au moins une partie du flux d’air sec légèrement refroidi en sortie de l’unité de séchage, de température comprise entre 25 et 450°C et de taux d’humidité absolue compris entre 0 et 50 g/kg , alimente le système de stockage thermochimique (1003) pour désorber l’eau adsorbée lors de la phase de pointe sur ledit système de stockage thermochimique et stocker de la chaleur .
L’opération de séchage peut être effectuée en mode semi-continu ou batch.
Avantageusement, la partie dudit flux d’air sec légèrement refroidi (102) envoyée vers le système de stockage thermochimique (1003) en phase creuse représente une fraction massique supérieure à 50 % du flux (102) sortant de l’unité de séchage (1002), de préférence supérieure à 80%.
Dans un mode de réalisation, l’opération de séchage est effectuée en mode intermittent et dans la phase creuse au moins une partie du flux (101 ) sortant de l’unité de chauffage primaire (1001 ) est envoyée directement vers le système de stockage thermochimique (1003).
Avantageusement, le flux (105) sortant dudit système de stockage thermochimique (1003) en phase creuse a une température comprise entre 10 et 400°C.
Un appoint d’air extérieur peut être effectué en entrée du système de stockage thermochimique pour réguler la température du flux (104) au moyen d’un flux d’air extérieur (103) de température préférentiellement comprise entre -10 et 40°C et de taux d’humidité absolue préférentiellement compris entre 0 et 50 g/kg.
On peut alimenter au moins en partie ladite unité de chauffage primaire (1001 ) avec un flux d’air extérieur (106), de température préférentiellement comprise entre -10 et 40°C et de taux d’humidité absolue préférentiellement compris entre 0 et 50 g/kg.
On peut également alimenter au moins en partie ladite unité de chauffage primaire (1001 ) avec au moins une partie dudit flux sortant (105) dudit système de stockage thermochimique(1003) en phase de pointe.
Lorsque le flux sortant (105) dudit système de stockage thermochimique(1003) a une température supérieure à celle de l’air extérieur et un taux d’humidité absolue inférieur à 50g /kg , on peut alimenter au moins en partie ladite unité de chauffage primaire (1001 ) avec au moins une partie dudit flux sortant dudit système de stockage thermochimique(1003) en phase creuse. On peut approvisionner directement l’unité de séchage (1002) par l’air issu du système de stockage thermochimique (1003) en phase de pointe au moyen d’une conduite de court-circuit.
De préférence, les moyens de stockage thermochimique dudit système thermochimique (1003) comprennent au moins un solide microporeux de type zéolithes ou apparentés choisi parmi les aluminosilicates, les aluminophosphates, désignés AIPO, et les silico-aluminophosphates, désignés SAPO.
L’invention concerne également un système de séchage intégré apte à mettre en œuvre le procédé selon l’une quelconque des variantes décrites comprenant au moins :
une unité de chauffage primaire (1001 ) comprenant avantageusement une conduite d’alimentation en air extérieur ;
une unité de séchage (1002) ;
un système de stockage thermochimique comprenant des moyens de stockage thermochimique (1003) par adsorption/désorption de vapeur d’eau ;
des moyens de circulation d’un flux d’air comprenant au moins : une première conduite permettant la circulation d’un flux d’air entre l’unité de chauffage primaire (1001 ) et l’unité de séchage (1002) ; une deuxième conduite permettant la circulation d’un flux d’air entre les moyens de stockage thermochimique (1003) et l’unité de séchage (1002) ; une troisième conduite permettant la circulation d’un flux d’air entre les moyens de stockage thermochimique (1003) et l’unité de chauffage primaire (1001 ).
Les moyens de circulation d’air peuvent comprendre une conduite entre l’unité de chauffage primaire (1001 ) et le système de stockage thermochimique (1003) permettant d’envoyer directement au moins une partie du flux sortant dudit système de stockage thermochimique vers ladite unité de chauffage primaire (1001 ).
Les moyens de circulation d’air peuvent comprendre une conduite de court-circuit entre le système de stockage thermochimique (1003) et l’unité de séchage (1002) permettant l’approvisionnement direct de l’unité de séchage (1002) par l’air issu du système de stockage thermochimique (1003). Les moyens de circulation d’air peuvent comprendre une conduite de court-circuit entre l’unité de chauffage primaire (1001 ) et le système de stockage thermochimique (1003) permettant d’envoyer directement une partie du flux sortant de ladite unité de chauffage primaire (1001 ) vers les moyens de stockage thermique (1003). Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 représente un diagramme schématique du procédé selon l’invention, en phase de pointe.
La figure 2 représente un diagramme schématique du procédé selon l’invention, en phase creuse, dans un mode de fonctionnement batch ou semi-continu.
La figure 3 représente un diagramme schématique du procédé selon l’invention, en phase creuse, dans un mode de fonctionnement intermittent.
Les figures 1 à 3 illustrent l’invention à titre non limitatif.
La figure 4 représente un schéma d’un procédé de séchage selon l’art antérieur, sans mise en oeuvre de moyens de stockage thermochimique.
Description des modes de réalisation
Sauf indication contraire, les débits d’air sont exprimés en kg d’air humide/ heure. On entend dans l’ensemble de la description par « moyens de circulation d’air » tout moyen connu de l’homme du métier, notamment conduite, soufflante, compresseur, ventilateur, pompe...
De même, on entend par « unité de chauffage primaire » toute unité mettant en oeuvre des moyens de chauffage utilisant toute source d’énergie, renouvelable, de récupération ou fossile. L’unité de chauffage primaire peut ainsi être électrique, solaire, alimentée en combustible...
Dans l’ensemble de la description, on entend par « unité de séchage » tout dispositif permettant de diminuer la teneur en eau d’un produit humide par exposition à un flux d’air, de préférence chaud et sec. Les termes « chaud et sec » et « refroidi et humide » s’entendent en relatif. Ceci signifie que si le flux d’air chaud et sec (en entrée de l’unité de séchage en phase de pointe, ou en sortie de l’unité de séchage en phase creuse) a une température T1 et un taux d’humidité absolue T2, le flux d’air refroidi et humide (en sortie de l’unité de séchage) a une température T2 inférieure à T1 , et un taux d’humidité absolue H2>H1.
Dans l’ensemble de la description, on entend par « système de stockage thermochimique » tout système à adsorption mettant en jeu un couple solide/gaz. Les principaux matériaux adsorbants connus de l’homme du métier sont des matériaux poreux à grande surface spécifique tels que les gels de silice, les alumino-phosphates, les silico-phosphates et les zéolithes.
L'adsorption correspond à la fixation de manière réversible des molécules de gaz à la surface du solide adsorbant. Ce phénomène est exothermique, donc dégage de la chaleur (décharge de l'énergie thermique). La désorption correspond à la libération des molécules de gaz de la surface du solide. Ce phénomène est endothermique, donc consomme de la chaleur (stockage de l'énergie thermique).
Le matériau thermochimique utilisé pour le stockage de chaleur est de préférence un solide microporeux de type zéolithes ou apparentés, tel que décrit par exemple dans la demande US201 1/0146939. Ce système de stockage thermochimique utilise l’enthalpie de sorption d’un fluide (par exemple de l’eau) mise en jeu lors d’un cycle d’adsorption/désorption dudit fluide sur le matériau thermochimique. Ces systèmes de stockage thermique par sorption sont connus pour avoir une densité énergétique intéressante et généralement supérieure à celle des Matériaux à Changement de Phase (typiquement de l’ordre de 100 à 250 kWh/m3) pour des températures stockées de l’ordre de 100 à 250°C.
La présente invention propose un système de stockage thermochimique permettant en phase de décharge de fournir au procédé de séchage en production, un flux d’air dont la qualité en terme de température et d’humidité absolue est compatible avec la qualité de l’air requise, à savoir un air chaud et sec.
Pendant cette phase de décharge, le système de stockage thermochimique admet comme flux d’entrée, un flux d’air dont la qualité en terme de température et d’humidité absolue est compatible avec la qualité de l’air rejeté par un procédé de séchage, à savoir un air refroidi et humide. En phase de charge, le système de stockage thermochimique admet comme flux d’entrée, le flux d’air rejeté par l’unité de séchage lors de la période creuse pendant laquelle l’unité est maintenue en température. Ce flux d’air, chaud et sec, présente les qualités requises pour la charge du système de stockage thermochimique.
Cette solution permet de remédier aux problèmes de synchronisation entre la source de production de chaleur fatale et le puits de consommation, puisque l’intégration du système de stockage au dispositif de séchage permet de récupérer et de restituer de la chaleur de ce même procédé.
Par ailleurs, cette solution permet également de tirer avantage de la qualité en termes de température et d’humidité absolue des effluents gazeux rejetés par l’unité de séchage, tout en fournissant à cette même unité, un flux d’air avec les qualités requises en termes de température et d’humidité absolue pour réaliser l’opération de séchage.
Les solides microporeux de type zéolithes ou apparentés préférés dans le cadre de l’invention sont les aluminosilicates, tels que par exemple la zéolithe A, de type structural LTA, les zéolithes LSX, MSX, X et Y, de type structural FAU, et de rapport Si/Al respectivement égal à 1 , 1 .1 , 1 .2 et 2.7 ou plus, la zéolithe EMT de type structural EMC-2, mais aussi les aluminophosphates, désignés AIPO, tel que par exemple AIPO-18 de type structural AEI ou l’AIPO-LTA de type structural LTA, les silico-aluminophosphates, désignés SAPO, tel que par exemple SAPO-34 de type structural CHA, ainsi que les MOF (Métal Organic Framework) tels que UIO-66, MIL-101 , HKUST.
Lors de leur synthèse, les zéolithes et matériaux microporeux apparentés forment des cristaux (généralement sous forme de poudre) dont l'emploi dans le stockage est particulièrement malaisé (manque d’homogénéité des cristaux au sein du stockage, pertes de charges importantes). On préfère alors les formes agglomérées de ces cristaux, sous forme de grains, de filés et autres agglomérés, ces dites formes pouvant être obtenues par extrusion, pastillage, et autres techniques d’agglomération connues de l’homme du métier. Ces agglomérés ne présentent pas les inconvénients inhérents aux matières pulvérulentes.
Ces agglomérés, qu'ils soient sous forme de plaquettes, de billes, d'extrudés, et autres, sont en général constitués de cristaux de zéolithe(s), qui constituent l'élément actif (au sens de l’adsorption) et d'un liant destiné à assurer la cohésion des cristaux sous forme d’agglomérés et de leur conférer une résistance mécanique suffisante pour garantir une durée d’utilisation de plusieurs années.
Cependant, les propriétés d'adsorption de ces agglomérés sont évidemment réduites par rapport à la poudre de cristaux, en raison de la présence de liant d'agglomération inerte vis-à-vis de l’adsorption.
Divers moyens ont déjà été proposés pour pallier cet inconvénient du liant d’agglomération d'être inerte quant aux performances d’adsorption, parmi lesquels, la transformation de la totalité ou d’au moins une partie du liant d’agglomération en zéolithe active du point de vue de l’adsorption. Cette opération est maintenant bien connue de l’homme du métier, par exemple sous la dénomination de « zéolithisation ». Pour effectuer facilement cette opération, on utilise des liants zéolithisables, le plus souvent des argiles appartenant à la famille de la kaolinite, et de préférence préalablement calcinés à des températures généralement comprises entre 500°C et 700°C, afin de transformer l’argile en métakaolin, qui est une forme réactive de l’argile.
Les zéolithes cationiques peuvent être utilisées sous forme sodiques (généralement forme obtenue à l’issue de la synthèse) ou échangées avec des cations alcalins ou alcalino-terreux.
En phase de pointe, l’effluent gazeux rejeté par l’unité de séchage, constitué d’air humide, est réinjecté en totalité ou partiellement dans le système de stockage, après un éventuel mélange avec un complément d’air. L’eau, sous forme de vapeur, contenue dans le flux d’air injecté dans le système de stockage thermochimique, est adsorbée sur le matériau thermochimique en générant de la chaleur qui est transmise à l’air. Le flux en sortie du système de stockage est ainsi un flux d’air sec et chaud, qui peut alors être envoyé, après un éventuel mélange avec un complément d’air, soit directement dans l’unité de séchage, si la température atteinte par le flux d’air correspond à la température requise, soit dans un système de chauffage d’air pour atteindre la température requise.
En phase creuse, le système de chauffage d’air fournit un air à une température éventuellement réduite par rapport à la température de la phase de pointe. Cet air, selon le mode de mise en oeuvre du procédé, est soit injecté dans l’unité de séchage, soit injecté directement dans le système de stockage. Dans un fonctionnement en semi-continu ou en batch, pour les moments pendants lesquels l’unité de séchage ne contient pas de produit à sécher, l’air issu de l’unité de chauffage primaire est injecté dans l’unité de séchage pour maintenir en température l’unité de séchage. L’effluent gazeux en sortie de séchoir, est alors un air chaud et sec, correspondant à l’air fourni par le système de chauffage d’air après un léger refroidissement du fait des pertes thermiques lors du passage au sein de l’unité de séchage. Ce flux d’air a les qualités requises pour être injecté dans le système de stockage thermochimique, et va permettre de désorber l’eau contenue dans le matériau thermochimique.
Dans une autre mise en oeuvre du procédé, par exemple dans le cas d’une opération de séchage intermittent avec stratégie de type « on/off » (arrêt/redémarrage) de l’alimentation en air chaud de l’unité de séchage, le flux chaud issu de l’unité de chauffage primaire d’air peut être envoyé directement dans le système de stockage thermochimique sans passer par l’unité de séchage.
Dans ces phases, l’intégration du système de stockage thermochimique avec le procédé de séchage permet d’utiliser sous certaines conditions une partie de la quantité de chaleur rejetée par le procédé de séchage.
L’invention concerne également le dispositif permettant de mettre en œuvre l’une quelconque des variantes du procédé intégré de séchage décrites.
La bonne compréhension de l’invention nécessite un rappel du schéma du procédé représenté sur la figure 1 , et du dispositif permettant de le mettre en œuvre.
Globalement, on dispose d’une unité de chauffage d’air (1001 ) mettant en œuvre un système de chauffage d’air, par exemple alimenté en combustible (typiquement gaz naturel). Cette unité de chauffage d’air (1001 ) fournit l’air qui alimente l’unité de séchage (1002) à la température désirée pour le séchage du produit contenu dans l’unité de séchage. Le système de stockage thermochimique (1003) est intégré dans ce dispositif, et permet d’apporter des calories au flux d’air alimentant l’unité de séchage en phase de pointe, et de stocker les calories excédentaires en phase creuse. On distingue deux phases de fonctionnement de ce système :
Phase de pointe
Durant cette phase l’unité de séchage contient un produit à sécher et est alimenté par un flux d’air (101 ) issu de l’unité de chauffage primaire d’air (1001 ).
Le flux d’air (101 ) sort de l’unité de chauffage primaire (1001 ) à une température avantageusement comprise entre 50°C et 500°C, de préférence entre 100 °C et 400 °C. Son taux d’humidité absolue est compris entre 0 et 50 g/kg, de préférence entre 0 et 20 g/kg, et de manière très préférée entre 0 et 10 g/kg. Il est envoyé dans l’unité de séchage (1002) où il est utilisé pour sécher le produit contenu dans l’unité de séchage. Le flux d’air refroidi et humide (102) sort de l’unité de séchage (1002) à une température avantageusement comprise entre 25 °C et 400 °C, de préférence entre 25 °C et 300 °C, et de manière très préférée entre 25 °C et 200 °C, et un taux d’humidité absolue compris entre 20 et 2000 g/kg. Le flux d’air (102) peut éventuellement sortir de l’unité de séchage en plusieurs points d’évacuation, à des températures et des taux d’humidité absolue différents, mais compris dans la gamme mentionnée ci-dessus. Au moins une partie de ce flux (102) est soutirée pour constituer le flux (102’), de même température et taux d’humidité absolue que le flux (102), qui est dirigé vers le système de stockage (1003), tandis que le flux (102”) résultant du partage du flux (102) sort du procédé. Ce flux (102”) est par exemple dirigé vers un évent, vers un système de traitement des rejets gazeux, ou vers un système de récupération d’énergie.
Avant d’être envoyé dans le système de stockage (1003), le flux d’air humide (102’) est éventuellement mélangé avec un flux d’air extérieur (103) à une température avantageusement comprise entre -10°C et 40°C, de préférence entre 10°C et 30°C, et avec un taux d’humidité absolue avantageusement compris entre 0 et 50 g/kg , de préférence entre 0 et 20 g/kg, et de manière très préférée entre 0 et 10 g/kg, afin de maintenir le taux d’humidité du flux entrant dans le système de stockage (1003) de préférence en dessous de 150g/kg . Le flux d’air issu de ce mélange constitue le flux d’air (104), dont la température est avantageusement comprise entre 25°C et 200 °C, de préférence entre 25 °C et 150 °C, et le taux d’humidité absolue avantageusement compris entre 20 et 200 g/kg , de préférence entre 20 et 150 g/kg. Ce flux (104) est envoyé dans le système de stockage thermochimique (1003) où il est chauffé par la chaleur dégagée par l’adsorption de l’eau présente dans le flux (104) sous forme vapeur sur le matériau thermochimique contenu dans le système de stockage (1003). Le flux (105) sortant du système de stockage (1003) a une température supérieure au flux (104), avantageusement comprise entre 50°C et 400°C, de préférence entre 50 °C et 300 °C. Son taux d’humidité absolue est avantageusement compris entre 0 et 200 g/kg, de préférence 0 et 50 g/kg, de manière très préférée entre 0 et 20 g/kg et de manière encore plus préférée entre 0 et 10 g/kg.
Le flux réchauffé (105) peut éventuellement être envoyé directement dans l’unité de séchage (1002) si son taux d’humidité absolue est inférieur à 50g/kg, de préférence inférieur à 20 g/kg et de manière préférée inférieur à 10 g/kg, et si sa température est suffisante pour le séchage. Si tel n’est pas le cas, le flux (105) est alors envoyé, intégralement ou partiellement, dans le système de chauffage d’air (1001 ) sous la forme du flux (105’) pour remonter sa température jusqu’à la température requise pour le séchage. Le flux (105”) résultant de l’éventuel partage du flux (105) sort du procédé. Ce flux (105”) est par exemple dirigé vers un évent, vers un système de traitement des rejets gazeux, ou vers un système de récupération d’énergie. Si le flux (105’) a un débit insuffisant par rapport au débit requis pour alimenter l’unité de séchage (1002) ou si son taux d’humidité absolue est supérieur à 50g/kg, de préférence supérieur à 20 g/kg et de manière préférée supérieur à 10 g/kg, un complément d’air extérieur (106) à une température avantageusement comprise entre -10°C et 40°C, de préférence entre 10°C et 30°C, et avec un taux d’humidité absolue avantageusement compris entre 0 et 50 g/kg , de préférence entre 0 et 20 g/kg et de manière très préférée entre 0 et 10 g/kg, peut être mélangé avec le flux (105’) en amont ou dans le système de chauffage d’air (1001 ).
Le débit du flux d’air (101 ) injecté dans l’unité de séchage (1002) est la résultante du partage du flux d’air (102) sortant de l’unité de séchage (1002) pour former le flux d’air (102’), et des débits des compléments d’air (103) et (106).
Dans une mise en oeuvre préférée, le complément d’air est assuré par le flux d’air (103) uniquement, et le flux d’air (106) a un débit nul. La demanderesse a constaté que cette façon d’opérer bien qu’a priori non favorable d’un point de vue de la perte de charge dans le système de stockage (1003) permet d’atteindre des températures à l’entrée de l’unité de chauffage primaire (1001 ) plus élevées, et par conséquent de réduire la consommation énergétique de l’unité de chauffage.
Le taux d’humidité absolue est exprimé en g d’eau /kg d’air sec. Sauf indication contraire, les débits sont exprimés en kg d’air humide/h. Phase creuse
Mise en œuvre du procédé de séchage en semi-continu ou en batch, quand l’unité de séchage ne contient pas de produit à sécher
Ce mode de réalisation est décrit sur la Figure 2.
Durant cette phase l’unité de séchage ne contient plus le produit à sécher, mais il est maintenu en température en étant alimenté par un flux d’air (101 ) issu de l’unité de chauffage primaire d’air (1001 ).
Le flux d’air (101 ) sort de l’unité de chauffage primaire (1001 ) à une température, qui peut être réduite par rapport à la température du même flux d’air durant la phase de pointe. La température du flux d’air (101 ) est avantageusement comprise entre 50°C et 500°C, de préférence entre 100 °C et 400 °C. Son taux d’humidité absolue est avantageusement compris entre 0 et 50 g/kg, de préférence entre 0 et 20 g/kg et de manière préférée entre 0 et 10 g/kg. Il est envoyé dans l’unité de séchage (1002) pour maintenir la température de l’unité de séchage. Le flux d’air peut subir quelques pertes thermiques dans l’unité de séchage (1002) et sortir sous la forme du flux (102) à une température avantageusement comprise entre 25 °C et 450 °C, de préférence entre 100 °C et 350 °C, mais son taux d’humidité absolue est toujours compris entre 0 et 50 g/kg, de préférence entre 0 et 20 g/kg et de manière préférée entre 0 et 10 g/kg. Le flux d’air (102) peut éventuellement sortir de l’unité de séchage en plusieurs points d’évacuation, à des températures et des taux d’humidité absolue différents, mais compris dans la gamme mentionnée ci-dessus. Une partie de ce flux (102) est soutirée pour constituer le flux (102’), de même température et taux d’humidité absolue que le flux (102), qui est dirigé vers le système de stockage (1003), tandis que le flux (102”) résultant du partage du flux (102) sort du procédé. Ce flux (102”) est par exemple dirigé vers l’évent, vers un système de traitement des rejets gazeux, ou vers un système de récupération d’énergie. Durant la phase creuse, la majorité du flux (102) est dirigé avantageusement vers le système de stockage, c’est-à-dire que le flux (102’) constitue une fraction supérieure à 50% du flux (102), de préférence supérieure à 80%.
Durant cette phase, le flux d’air (102’) peut être mélangé avec un flux d’air extérieur (103), pour réguler la température du flux (104) ainsi formé entrant dans le système de stockage. Le flux d’air extérieur (103) a une température avantageusement comprise entre -10°C et 40°C, de préférence entre 10°C et 30°C, et avec un taux d’humidité absolue compris entre 0 et 50 g/kg , de préférence entre 0 et 20 g/kg et de manière préférée entre 0 et 10 g/kg. Le flux d’air issu de ce mélange constitue le flux d’air (104), dont la température est comprise entre 25°C et 400 °C, de préférence entre 100 °C et 350 °C, et le taux d’humidité absolue avantageusement compris entre 0 et 50 g/kg , de préférence entre 0 et 20 g/kg et de manière préférée entre 0 et 10 g/kg. Ce flux (104) est envoyé dans le système de stockage (1003) où il va désorber l’eau adsorbée lors de la phase de pointe sur le matériau thermochimique contenu dans le système de stockage (1003). Le flux (105) sortant du système de stockage (1003) va être chargé en humidité, et a une température inférieure au flux (104), comprise entre 10°C et 400°C, de préférence entre 10 °C et 350 °C. Selon son taux d’humidité, le flux (105) peut soit sortir du procédé, totalement ou partiellement sous la forme d’un flux (105”), qui sera dirigé vers l’évent, vers un système de traitement des rejets gazeux, ou vers un système de récupération d’énergie, soit être envoyé vers le système de chauffage d’air (1001 ) sous la forme d’un flux (105’), si sa température est supérieure à la température de l’air extérieur, et si son taux d’humidité est inférieur à 50g/kg, de préférence inférieur à 20g/kg et de manière préférée inférieur à 10 g/kg.
L’air en entrée de l’unité de chauffage primaire (1001 ) est constitué soit d’un flux d’air extérieur (106) de température avantageusement comprise entre -10°C et 40°C, de préférence entre 10°C et 30°C, et de taux d’humidité absolue compris entre 0 et 50 g/kg , de préférence entre 0 et 20 g/kg, et de manière préférée entre 0 et 10 g/kg, soit du flux d’air (105’) décrit précédemment si sa température est supérieure à la température de l’air extérieur et si son taux d’humidité est inférieur à 50g/kg, de préférence inférieur à 20g/kg et de manière préférée inférieur à 10 g/kg, soit d’un mélange des deux flux.
Le fait d’alimenter l’unité de chauffage primaire (1001 ) avec au moins une partie du flux (105), c’est-à-dire avec le flux (105’), lorsque celui-ci a une température supérieure à l’air extérieur, permet un gain de consommation énergétique de l’unité de chauffage primaire.
Le taux d’humidité absolue est exprimé en g d’eau /kg d’air sec.
Mise en œuyre du procédé de séchage en mode intermittent de l’alimentation en air chaud de l’unité de séchage
Ce mode de réalisation est illustré sur la Figure 3.
Dans cette mise en œuvre, durant urant la phase creuse, l’unité de séchage (1002) contient le produit à sécher, et l’objectif est de suspendre ou de réduire l’alimentation en air chaud de l’unité de séchage. Le flux d’air (101 ) sort de l’unité de chauffage primaire de l’unité de chauffage primaire (1001 ) à une température, qui est de préférence réduite par rapport à la température de ce même flux d’air durant la phase de pointe. La température du flux d’air (101 ) est avantageusement comprise entre 50°C et 500°C, de préférence entre 100 °C et 400 °C. Son taux d’humidité absolue est avantageusement compris entre 0 et 50 g/kg, de préférence entre 0 et 20 g/kg et de manière préférée entre 0 et 10 g/kg. La totalité ou une partie (101’) du flux d’air (101 ) est dirigé directement vers le système de stockage (1003). Le reste du flux d’air résultant du partage éventuel du flux d’air (101 ) forme le flux (101”) envoyé dans l’unité de séchage (1002). Ce flux (101”) peut par exemple avoir un débit nul lors d’un fonctionnement en mode de séchage intermittent de type on/off, pour lequel l’alimentation en air chaud de l’unité de séchage est suspendue pendant cette période. Le flux d’air (102) en sortie de l’unité de séchage (1002) sort du procédé sous forme d’un flux (102”) dirigé par exemple vers l’évent, vers un système de traitement des rejets gazeux, ou vers un système de récupération d’énergie, et/ou être dirigé vers le système de stockage (1003) sous forme d’un flux (102’).
Le flux (104), constitué du flux (101’) additionné d’un éventuel flux (102’), a une température comprise entre 25°C et 450 °C, de préférence entre 100 °C et 350 °C, et un taux d’humidité absolue avantageusement compris entre 0 et 50 g/kg , de préférence entre 0 et 20 g/kg et de manière préférée entre 0 et 10 g/kg. Ce flux (104) est envoyé dans le système de stockage (1003) où il va désorber l’eau adsorbée lors de la phase de pointe sur le matériau thermochimique contenu dans le système de stockage (1003). Le flux (105) sortant du système de stockage (1003) va être chargé en humidité, et a une température inférieure au flux (104), comprise entre 10°C et 400°C, de préférence entre 10 °C et 350 °C. Selon son taux d’humidité, le flux (105) peut soit sortir du procédé, totalement ou partiellement sous la forme d’un flux (105”), qui sera dirigé vers l’évent, vers un système de traitement des rejets gazeux, ou vers un système de récupération d’énergie, soit être envoyé vers le système de chauffage d’air (1001 ) sous la forme d’un flux (105’), si sa température est supérieure à la température de l’air extérieur, et si son taux d’humidité est inférieur à 50g/kg, de préférence inférieur à 20g/kg et de manière préférée inférieur à 10 g/kg.
L’air en entrée de l’unité de chauffage primaire (1001 ) est constitué soit d’un flux d’air extérieur (106) de température avantageusement comprise entre -10°C et 40°C, de préférence entre 10°C et 30°C, et de taux d’humidité absolue compris entre 0 et 50 g/kg , de préférence entre 0 et 20 g/kg et de manière préférée entre 0 et 10 g/kg, soit du flux d’air (105) décrit précédemment si sa température est supérieure à la température de l’air extérieur et si son taux d’humidité est inférieur à 50g/kg, de préférence inférieur à 20g/kg et de manière préférée inférieur à 10 g/kg, soit d’un mélange de ces deux flux. Le fait d’alimenter au moins en partie l’unité de chauffage primaire (1001 ) avec le flux (105), lorsque celui-ci a une température supérieure à l’air extérieur, permet un gain de consommation énergétique du système de chauffage de l’unité de chauffage primaire (1001 ).
Le taux d’humidité absolue est exprimé en g d’eau /kg d’air sec.
Applications du procédé de séchage selon l’invention
La procédé s’applique avantageusement dans le domaine agro-alimentaire, cosmétique, pharmaceutique, chimie dont plastiques, papier-carton...
Exemples
Exemple 1 (comparatif)
Cet exemple concerne la configuration d’un procédé de séchage classique, sans intégration de système de stockage. Cette configuration est illustrée sur la Figure 4. La durée de la phase de pointe est de 16 heures, celle de la phase creuse est de 8 heures.
Phase de pointe
Le flux d’air (106), en entrée de l’unité de chauffage primaire (1001 ), est composé d’air extérieur à 15°C dont le taux d’humidité absolue est de 9 g d’eau/kg d’air sec. Le débit des flux (106), en entrée de l’unité de chauffage primaire , et du flux (101 ) en sortie de l’unité de chauffage primaire, est de 5000 kg/h. Le flux (101 ) sort de l’unité de chauffage primaire (1001 ) à la température fixée de consigne de 400°C et est envoyé dans l’unité de séchage (1002). On récupère en sortie de l’unité de séchage (1002) un flux d’air refroidi et humide (102), de température égale à 100°C et dont le taux d’humidité absolue est de 100 g d’eau/kg d’air sec. Cet air humide sort du dispositif de séchage et n’est pas utilisé dans le procédé.
Phase creuse
Le flux d’air (106) a un débit de 6000 kg/h, une température de 15°C et a pour taux d’humidité absolue 9 g d’eau/kg d’air sec. Le flux (106) est chauffé dans le système de chauffage (1001 ) pour atteindre en sortie la température de 250°C, le flux de sortie constituant le flux (101 ). Ce flux (101 ) est envoyé à l’unité de séchage (1002) afin de maintenir ce dernier à la température de 225°C en attendant la prochaine phase de pointe. Le flux (102) sort de l’unité de séchage à une température de 225°C et conserve le débit et le taux d’humidité absolue du flux (101 ), à savoir respectivement 6000 kg/h et 9 g d’eau par kg d’air sec . Le flux sort alors en intégralité du dispositif et n’est pas utilisé dans le procédé.
Exemple 2
- Cet exemple concerne la configuration selon l’invention mettant en oeuvre un système de stockage thermochimique (1003) selon les figures 1 et 2 et pour laquelle, en phase de pointe :
- un flux d’air complémentaire (106) est ajouté en entrée de l’unité de chauffage primaire (1001 )
- il n’y a pas d’ajout d’air complémentaire (103) en entrée du système de stockage (1003).
La durée de la phase de pointe est de 16 heures, celle de la phase creuse est de 8 heures.
Phase de pointe
Le flux d’air (101 ), de débit 5000 kg/h et ayant un taux d’humidité absolue de 4 g d’eau/kg d’air sec, sort de l’unité de chauffage primaire (1001 ) à la température fixée de 400°C. Il est envoyé dans l’unité de séchage (1002). Un flux d’air refroidi et humide sort de l’unité de séchage (1002) pour constituer le flux (102) qui sort à la température de 100°C et à un taux d’humidité absolue de 100 g d’eau/kg d’air sec. Une partie du flux (102) est soutirée pour constituer le flux (102’), soit 3130,7 kg/h à un taux d’humidité absolue identique au flux (102). Aucun appoint d’air extérieur n’est effectué, le flux (103) est nul pour cette configuration. Le flux (102’) est donc dirigé vers le système de stockage (1003) (via le flux (104)) alors que le flux (102”) sort du procédé. L’air du flux (104) est chauffé au sein du système de stockage (1003) par la chaleur dégagée par l’adsorption de l’eau contenue dans ce flux sous forme de vapeur d’eau sur le matériau thermochimique. Le flux d’air (105) sort alors du système de stockage à la température de 257, 8°C et est constitué d’air totalement sec puisque toute l’humidité entrante a été adsorbée sur le matériau thermochimique. Son débit n’est alors plus que de 2846,1 kg/h, donc le débit d’eau adsorbée durant la phase de pointe est de 284,6 kg/h. Le flux (105) est alors envoyé dans sa totalité (le flux (105”) est donc nul) vers le système de chauffage (1001 ) pour atteindre la température requise en entrée de l’unité de séchage (1002) fixée à 400°C. Un flux d’air complémentaire (106) de 2153,9 kg/h à 15°C est ajouté au flux (105’) afin d’avoir le débit d’air chaud nécessaire en entrée de l’unité de séchage (1002). Son taux d’humidité absolue est de 9 g d’eau/kg d’air.
Phase creuse
Le flux (106) est de 6000 kg/h, à la température de 15°C et a pour taux d’humidité absolue 9 g d’eau/kg d’air sec. Le flux (106) est chauffé dans le système de chauffage (1001 ) pour atteindre en sortie (101 ) la température de 250°C. Ce flux (101 ) est envoyé à l’unité de séchage (1002) afin de la maintenir à la température de 225°C en attendant la prochaine phase de pointe. Le flux (102) sortant de l’unité de séchage a une température de 225°C et conserve le débit et le taux d’humidité absolue du flux (101 ). Ce flux est envoyé en intégralité et sans ajout complémentaire d’air vers le système de stockage (1003) où il va désorber l’eau qui s’est adsorbée sur le matériau thermochimique lors de la phase de pointe. Le flux (105) sortant du système de stockage (1003) est donc chargé en humidité. Le flux (105) est à la température de 61 ,2°C et son taux d’humidité est de 104 g d’eau/kg d’air sec. Ce flux est alors intégralement sorti du procédé via le flux (105”).
En raison de l’utilisation du système de stockage, une partie du flux d’air chaud en sortie du système de stockage étant envoyée vers l’unité de chauffage primaire, ne économie sur le gaz naturel consommé dans l’unité de chauffage primaire peut être effectuée, de l’ordre de 41 ,6% en phase de pointe par rapport à l’exemple 1 et la chaleur fatale issue du flux de maintien en température en phase creuse peut être valorisée.
Exemple 3
Cet exemple concerne la configuration selon les figures 1 et 2 pour laquelle, en phase de pointe, un appoint d’air sous forme d’un flux d’air complémentaire (103) est effectué en entrée du système de stockage (1003) et pour laquelle il n’y a pas d’ajout d’air complémentaire (106) en entrée de l’unité de chauffage primaire (1001 ). La durée de la phase de pointe est de 16 heures, celle de la phase creuse est de 8 heures.
Phase de pointe
Le flux d’air (101 ), de débit 5000 kg/h et ayant un taux d’humidité absolue de 4 g d’eau/kg d’air sec, sort de l’unité de chauffage primaire (1001 ) à la température fixée de 400°C. Il est envoyé dans l’unité de séchage (1002). Un flux d’air refroidi et humide sort de l’unité de séchage (1002) pour constituer le flux (102), qui sort à la température de 100°C et avec un taux d’humidité absolue de 100 g d’eau/kg d’air sec. Seule une partie du flux (102) est soutirée pour constituer le flux (102’), soit 2903,5 kg/h à un taux d’humidité absolue identique au flux (102). Un flux d’air complémentaire (103) de 2381 ,1 kg/h à 15°C et de taux d’humidité absolue de 9 g d’eau/kg d’air est ajouté au flux (102’) afin d’avoir le débit d’air chaud nécessaire en entrée de l’unité de séchage (1002). Le flux (104), mélange des flux (102’) et (103), a donc un débit de 5284,6 kg/h, sa température de mélange est de 71 °C et son taux d’humidité absolue est de 57 g d’eau/kg d’air sec. Ce flux est dirigé vers le système de stockage (1003) et chauffé par la chaleur dégagée par l’adsorption de l’eau contenue dans ce flux sous forme de vapeur d’eau sur le matériau thermochimique. Le flux (105) sort alors du système de stockage à la température de 247, 2°C et totalement sec puisque toute l’humidité entrante a été adsorbée sur le matériau thermochimique. Son débit n’est alors plus que de 5000 kg/h, donc le débit d’eau adsorbée durant la phase de pointe est de 284,6 kg/h. Le flux (105) est alors envoyé dans sa totalité (le flux (105”) est donc nul) vers le système de chauffage (1001 ) afin d’atteindre la température en entrée de l’unité de séchage (1002) fixée à 400°C.
Phase creuse
Le flux (106) a un débit de 6000 kg/h, une température de 15°C et a pour taux d’humidité absolue 9 g d’eau/kg d’air sec. Le flux (106) est chauffé dans le système de chauffage (1001 ) pour atteindre en sortie (101 ) la température de 250°C. Ce flux (101 ) est envoyé à l’unité de séchage (1002) afin de le maintenir à la température de 225°C en attendant la prochaine phase de pointe. Le flux (102) sortant de l’unité de séchage est donc 225°C et conserve le débit et le taux d’humidité absolue du flux (101 ). Ce flux est envoyé en intégralité et sans ajout complémentaire d’air vers le système de stockage (1003) où il va désorber l’eau adsorbée sur le matériau thermochimique lors de la phase de pointe. Le flux (105) sortant du système de stockage (1003) est donc chargé en humidité. Le flux (105) est à la température de 61 ,2°C et son taux d’humidité est de 104 g d’eau/kg d’air sec. Ce flux est alors intégralement sorti du procédé via le flux (105’).
En raison de l’utilisation du système de stockage thermochimique, la totalité du flux d’air chaud en sortie du système de stockage étant envoyée vers l’unité de chauffage primaire, une économie sur le gaz naturel consommé dans l’unité de chauffage primaire peut être effectuée, de l’ordre de 65,9% en phase de pointe par rapport au procédé de séchage conventionnel selon l’exemple 1 et la chaleur fatale issue du flux de maintien en température en phase creuse peut être valorisée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de séchage intégré par circulation d’air avec stockage et restitution d’énergie thermique comprenant au moins une phase de pointe et au moins une phase creuse dudit séchage, dans lequel une partie de la chaleur nécessaire au séchage est fournie à l’unité de séchage (1002) par une unité de chauffage primaire (1001 ), et au moins une autre partie de la chaleur nécessaire au séchage est fournie à l’unité de séchage (1002) par un système de stockage thermochimique (1003) par adsorption/désorption de vapeur d’eau qui permet alternativement :
- en phase de pointe : de céder sa chaleur pour chauffer au moins une partie du flux d’air humide et refroidi sortant de ladite unité de séchage , afin de fournir un air sec et chaud à ladite unité de séchage;
- en phase creuse : de stocker la chaleur du flux d’air chaud et sec sortant de ladite unité de séchage et/ou du flux d’air chaud et sec sortant directement de l’unité de chauffage primaire.
2. Procédé de séchage intégré avec stockage et restitution d’énergie thermique selon la revendication 1 mettant en oeuvre une unité de chauffage primaire (1001 ), une unité de séchage (1002), un système de stockage thermochimique (1003) comprenant des moyens de stockage thermochimique par adsorption/désorption d’eau sur au moins un solide microporeux de type zéolithe ou apparenté, des moyens de circulation d’air comprenant au moins : une première conduite entre l’unité de chauffage primaire (1001 ) et l’unité de séchage (1002) ; une deuxième conduite entre l’unité de séchage (1002) et le système de stockage thermochimique (1003) et une troisième conduite entre le système de stockage thermochimique (1003) et l’unité de chauffage primaire (1001 ), le procédé comprenant les étapes suivantes :
a. une phase de pointe dans laquelle
- l’unité de chauffage primaire (1001 ) fournit un flux (101 ) d’air chaud et sec à une température comprise entre 50 et 500°C et à un taux d’humidité absolue compris entre 0 et 50 g/kg à l’unité de séchage (1002) ;
- au moins une partie du flux d’air refroidi et humide (102) sortant de l’unité de séchage (1002) après séchage du produit à une température comprise entre 25 et 400°C et à un taux d’humidité absolue compris entre 20 et 2000 g/kg alimente, éventuellement en mélange avec un flux d’air sec extérieur (103) ayant une température comprise entre -10 et 40°C et un taux d’humidité absolue comprise entre 0 et 50 g/kg , le système de stockage thermochimique (1003),
- au moins une partie de la chaleur stockée par ledit système de stockage thermochimique est transmise auxdits moyens de circulation d’air, pour former un flux d’air chaud (105) sortant dudit système de stockage thermochimique (1003) à une température Te comprise entre 50°C et 400°C, de préférence entre 50 °C et 300 °C permettant d’alimenter au moins en partie l’unité de séchage (1002) en air chaud et sec.
b. une phase creuse dans laquelle :
- l’unité de séchage est maintenue en température par circulation d’un flux d’air chaud et sec issu de l’unité de chauffage primaire (1001 ) ,de température comprise entre 50 et 500°C et de taux d’humidité absolue compris entre 0 et 50 g/kg ;
- au moins une partie du flux d’air sec légèrement refroidi en sortie de l’unité de séchage, de température comprise entre 25 et 450°C et de taux d’humidité absolue compris entre 0 et 50 g/kg , alimente le système de stockage thermochimique (1003) pour désorber l’eau adsorbée lors de la phase de pointe sur ledit système de stockage thermochimique et stocker de la chaleur .
3. Procédé de séchage intégré avec stockage et restitution d’énergie thermique selon la revendication 1 ou 2 dans lequel l’opération de séchage est effectuée en mode semi-continu ou batch.
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la partie dudit flux d’air sec légèrement refroidi (102) envoyée vers le système de stockage thermochimique (1003) en phase creuse représente une fraction massique supérieure à 50 % du flux (102) sortant de l’unité de séchage (1002), de préférence supérieure à 80%.
5. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel l’opération de séchage est effectuée en mode intermittent et dans la phase creuse au moins une partie du flux (101 ) sortant de l’unité de chauffage primaire (1001 ) est envoyée directement vers le système de stockage thermochimique (1003).
6. Procédé selon la revendication 1 à 5 dans lequel le flux (105) sortant dudit système de stockage thermochimique (1003) en phase creuse a une température comprise entre 10 et 400°C.
7. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel un appoint d’air extérieur est effectué en entrée du système de stockage thermochimique pour réguler la température du flux (104) au moyen d’un flux d’air extérieur (103) de température préférentiellement comprise entre -10 et 40°C et de taux d’humidité absolue préférentiellement compris entre 0 et 50 g/kg.
8. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel on alimente au moins en partie ladite unité de chauffage primaire (1001 ) avec un flux d’air extérieur (106), de température préférentiellement comprise entre -10 et 40°C et de taux d’humidité absolue préférentiellement compris entre 0 et 50 g/kg.
9. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel on alimente au moins en partie ladite unité de chauffage primaire (1001 ) avec au moins une partie dudit flux sortant (105) dudit système de stockage thermochimique(1003) en phase de pointe.
10. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel le flux sortant (105) dudit système de stockage thermochimique(1003) a une température supérieure à celle de l’air extérieur et un taux d’humidité absolue inférieur à 50g /kg et on alimente au moins en partie ladite unité de chauffage primaire (1001 ) avec au moins une partie dudit flux sortant dudit système de stockage thermochimique(1003) en phase creuse.
1 1 . Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel on approvisionne directement l’unité de séchage (1002) par l’air issu du système de stockage thermochimique (1003) en phase de pointe au moyen d’une conduite de court-circuit.
12. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel les moyens de stockage thermochimique dudit système thermochimique (1003) comprennent au moins un solide microporeux de type zéolithes ou apparentés choisi parmi les aluminosilicates, les aluminophosphates, désignés AIPO, et les silico-aluminophosphates, désignés SAPO.
13. Système de séchage intégré apte à mettre en oeuvre le procédé selon l’une des revendications 1 à 12 comprenant au moins :
- une unité de chauffage primaire (1001 ) comprenant avantageusement une conduite d’alimentation en air extérieur ;
- une unité de séchage (1002) ; - un système de stockage thermochimique comprenant des moyens de stockage thermochimique (1003) par adsorption/désorption de vapeur d’eau ;
- des moyens de circulation d’un flux d’air comprenant au moins : une première conduite permettant la circulation d’un flux d’air entre l’unité de chauffage primaire (1001 ) et l’unité de séchage (1002) ; une deuxième conduite permettant la circulation d’un flux d’air entre les moyens de stockage thermochimique (1003) et l’unité de séchage (1002) ; une troisième conduite permettant la circulation d’un flux d’air entre les moyens de stockage thermochimique (1003) et l’unité de chauffage primaire (1001 ).
14. Système selon la revendication 13 dans lequel les moyens de circulation d’air comprennent une conduite entre l’unité de chauffage primaire (1001 ) et le système de stockage thermochimique (1003) permettant d’envoyer directement au moins une partie du flux sortant dudit système de stockage thermochimique vers ladite unité de chauffage primaire (1001 ).
15. Système selon l’une quelconque des revendications 13 ou 14 dans lequel les moyens de circulation d’air comprennent une conduite de court-circuit entre le système de stockage thermochimique (1003) et l’unité de séchage (1002) permettant l’approvisionnement direct de l’unité de séchage (1002) par l’air issu du système de stockage thermochimique (1003).
16. Système selon l’une quelconque des revendications 13 à 15 dans lequel les moyens de circulation d’air comprennent une conduite de court-circuit entre l’unité de chauffage primaire (1001 ) et le système de stockage thermochimique (1003) permettant d’envoyer directement une partie du flux sortant de ladite unité de chauffage primaire (1001 ) vers les moyens de stockage thermique (1003).
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