DE SECHAGE OPTIMISEE

DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne un procédé de torréfaction d'une charge de biomasse.

On connaît depuis longtemps l'intérêt potentiel présenté par le bois torréfié. Celui-ci était utilisé au début du XXième siècle dans le domaine des gazogènes. Ces anciens procédés ne permettaient pas d'obtenir du bois torréfié dans des conditions économiques avantageuses et reproductibles.

Récemment, du fait du réchauffement climatique et des développements sur les énergies renouvelables non polluantes, des recherches importantes ont lieu pour valoriser la biomasse. Par exemple, des procédés de traitement thermochimique ont été développés pour utiliser la biomasse comme source d'énergie, tel que par exemple la production de biocarburants, la production d'électricité dans les centrales au charbon ou au coke de pétrole, la production de chaleur au moyen de chaudières à vapeur... . Dans le cadre de la production d'électricité dans des centrales au charbon, le procédé de torréfaction permet d'augmenter sensiblement le pouvoir calorifique de la biomasse et de modifier certaines de ses propriétés notamment l'aptitude de cette matière à être broyée en de fines particules de façon aisée et économique mais aussi une stabilité au stockage grâce au caractère hydrophobe conféré par la torréfaction. En ce sens la biomasse torréfiée présente des caractéristiques proches de celles de charbon et du coke de pétrole ce qui permet à l'opérateur de ce type d'installation de mélanger cette charge à la charge d'origine fossile initialement utilisée sans modification du procédé ni investissement en matériel spécifique tel qu'un broyeur ou des infrastructures tel que le parc de stockage. Dans le cadre de la production de biocarburants, la biomasse est torréfiée et broyée puis subit une étape de gazéification pour produire un gaz de synthèse. La technologie de gazéification préférée est un réacteur à flux entraîné opérant à haute température et haute pression, afin d'assurer une conversion très élevée du carbone et d'éviter des étapes de re-compression coûteuses du gaz de synthèse. Le système préféré d'injection de la charge solide dans le gazéifieur se fait par transport pneumatique d'une charge finement divisée au moyen d'un gaz vecteur. Le gaz de synthèse après une purification poussée permet ensuite de recomposer un ensemble de coupes d'hydrocarbures, notamment une coupe d'essence, une coupe de gazole et une coupe kérosène au moyen de la synthèse de Fischer-Tropsch. Ces coupes, et en particulier la coupe gazole, doivent subir une étape d'hydrotraitement pour atteindre les spécifications carburants.

La torréfaction consiste en un procédé de traitement thermique de la biomasse à des températures comprises entre 200°C et 300°C en l'absence d'oxygène. Dans cette gamme de températures, des réactions ont lieu et modifient les propriétés chimiques et physiques de la biomasse. Soumises à ces conditions opératoires, la biomasse, commence par subir un séchage poussé suivis d'une déstructuration partielle d'une partie de sa matière ligno-cellulosique. Cette transformation s'accompagne d'une perte de sa résistance mécanique et d'une diminution de son élasticité. Elle devient alors plus facile à broyer. Son pouvoir calorifique est également augmenté du fait d'une augmentation de la quantité de carbone par unité de masse. Les produits de l'opération de torréfaction sont un solide, appelé biomasse torréfiée et des gaz de torréfaction. La biomasse torréfiée est broyée pour obtenir des particules de granulométrie souhaitée en vue de la gazéification ultérieure. L'ensemble de la chaîne de fabrication des biocarburants (torréfaction, broyage, gazéification, purification, synthèse Fischer-Trospch et hydrotraitement) doit avoir un rendement massique élevé de façon à maximiser la production de biocarburants.

Si la biomasse est chauffée à une température inférieure à 150°C, l'eau contenue dans la biomasse s'évapore et la biomasse se déshydrate, mais les réactions de dégradation n'ont pas lieu. La biomasse est alors simplement séchée et non torréfiée. Or le séchage à lui seul ne permet pas d'obtenir les propriétés visées (perte de résistance mécanique, diminution de l'élasticité) conduisant à une opération de broyage facilitée et produisant une poudre adaptée au procédé de gazéification. De même, si la biomasse séchée est chauffée à une température supérieure à 300°C, les réactions deviennent exothermiques. La température augmente entraînant une accélération des cinétiques des réactions chimiques. Ce phénomène d'emballement des réactions conduit à une très forte perte de masse de la fraction solide. Or, cette perte de masse réduit le rendement matière de la chaîne complète pour la production des biocarburants de synthèse. Donc, dans un procédé de torréfaction en vue de l'utilisation de la biomasse pour produire des biocarburants, il est particulièrement important de contrôler constamment la température afin d'éviter les phénomènes de séchage seul ou les phénomènes d'emballement thermique. Par ailleurs, avant d'être torréfiée, la biomasse sera le plus souvent divisée en particules solides dont la dimension caractéristique est de l'ordre du centimètre par une opération de broyage primaire. Un des points clé de l'étape de torréfaction sera donc d'assurer des conditions de transfert thermique permettant d'assurer un traitement homogène de la charge non seulement entre les particules mais aussi au sein d'une particule.

La torréfaction de la biomasse comprenant une étape de séchage et une étape de torréfaction, nécessite un apport de chaleur important pour, tout d'abord élever la température de la biomasse à un niveau adéquat pour la phase de séchage, ensuite éliminer l'eau présente dans la biomasse, enfin élever et maintenir la température de la biomasse sèche à un niveau adéquat pour l'opération de torréfaction. Cet apport de chaleur se fait généralement par contact de la biomasse avec un flux de gaz chaud.

Les gaz de torréfaction, combustibles, sont généralement brûlés pour fournir une partie de la chaleur nécessaire au procédé de torréfaction. Cette intégration thermique du procédé est particulièrement importante car, quelle que soit la technologie choisie pour mettre en œuvre l'opération de torréfaction, la façon dont l'énergie apportée par les gaz de torréfaction est utilisée influence directement le rendement énergétique du procédé dans son ensemble et donc de sa performance économique et environnementale.

ART ANTERIEUR

La demande de brevet US2010/0083530 (Wyssmont) décrit un dispositif et un procédé de torréfaction d'un matériau lignocellulosique contenant de l'eau, ledit procédé utilisant une seule boucle de circulation des gaz pour les opérations de séchage et de torréfaction. La biomasse brute est introduite en tête du four et s'écoule de façon gravitaire vers le fond du four. L'opération de séchage s'effectue dans la première section du four. La température de cette zone en tête du four est comprise entre 200°C et 260°C. Une fois la biomasse séchée, l'opération de torréfaction s'opère sur les plateaux inférieurs et les gaz de torréfaction et l'eau de séchage sont extraits en tête du four. La température de la zone du four dans laquelle l'opération de torréfaction est réalisée est typiquement comprise entre 200°C et 300°C et de préférence entre 260°C et 280°C. Une partie des gaz extraits en tête du four est recyclée en fond du four après réchauffage de ces derniers par passage dans un échangeur de chaleur. L'autre partie desdits gaz est d'abord envoyée dans une zone où l'eau de séchage est condensée. Les gaz en sortie de cette section sont ensuite envoyés dans une zone de combustion permettant leur valorisation et générant des gaz de combustion ou fumées chaudes. Les fumées passent ensuite dans l'échangeur de chaleur permettant ainsi le réchauffage de la partie des gaz de torréfaction recyclés à la fois en tête et en fond du four, dans les zones de séchage et de torréfaction. L'énergie apportée au four provient donc de la combustion de ces gaz de torréfaction. La biomasse torréfiée est extraite en fond du four.

Dans ce procédé, les gaz de combustion ou fumées chaudes générés par la combustion d'une partie des gaz de torréfaction sont uniquement utilisés pour réchauffer l'autre partie des gaz de torréfaction recyclée dans le four, lesdits gaz de combustion ou fumées chaudes n'étant ni recyclés en tête du four dans la zone de séchage, ni en fond du four, dans la zone de torréfaction.

La demande de brevet US2013/228443 propose de mettre en œuvre un traitement thermochimique de la biomasse au sein d'un four multi-étagé vertical présentant plusieurs chambres indépendantes avec un environnement contrôlé en terme de température et de pression. Chaque chambre peut être connectée à une zone de contrôle contenant au moins une zone de combustion, une vanne et une pompe, la zone de contrôle étant connectée à une entrée et à une sortie gaz de chaque chambre. La ou les zones de contrôle permettent donc d'apporter l'énergie nécessaire au sein de chaque chambre par apport d'un gaz chaud généré dans la zone de contrôle via la zone de combustion, et réintroduit en entrée de la ou les chambres à une température pouvant varier de 40 à 370°C. La figure 4 décrit plus particulièrement un four multi- étagé présentant 5 chambres indépendantes, chacune des chambres étant connectée à une unité de contrôle qui lui est propre. Chaque unité de contrôle présente les caractéristiques ci- dessus. La biomasse est introduite dans la première chambre opérant sous atmosphère aérobie pour y être séchée grâce à un flux de gaz chauffé dans la zone de contrôle connectée à ladite chambre et introduit dans ladite chambre à une température comprise entre 94 et 204°C. La biomasse séchée est ensuite transférée d'une chambre à l'autre par l'intermédiaire d'une vanne étanche vis à vis de la phase gaz et est chauffée à des températures de plus en plus élevées favorisant l'opération de torréfaction au fur et à mesure de son transfert dans les différentes chambres opérant sous atmosphère anaérobie. Dans cette configuration chaque chambre au sein du four est indépendante sur la phase gaz. La demande de brevet WO05/056723 (ECN) décrit un procédé de production de solides à partir de matière première constituée de biomasse et de préférence de biomasse lignocellulosique dans lequel la biomasse dont l'humidité est généralement comprise entre 30% et 60% poids est envoyée dans une étape de séchage de manière à réduire son humidité à des teneurs inférieures à 15% poids. La biomasse sèche est ensuite envoyée dans une zone de torréfaction de laquelle sont extraits des gaz appelés gaz de torréfaction et un solide appelé biomasse torréfiée qui est ensuite refroidi et qui peut être conditionné dans une étape de pelletisation avant transport et / ou stockage. Une partie des gaz de torréfaction émis lors de l'opération de torréfaction est envoyée vers un échangeur de chaleur après une étape destinée à augmenter leur pression. L'autre partie des gaz de torréfaction est valorisée dans une chambre de combustion de manière à générer des gaz de combustion ou fumées chaudes qui sont refroidis par passage dans un échangeur de chaleur avant d'être recyclés dans l'étape de séchage de manière à y apporter l'énergie requise. La partie des gaz de torréfaction comprimée à l'issue de l'étape destinée à augmenter leur pression est ensuite envoyée dans l'échangeur pour y être réchauffée par échange de chaleur avec les fumées chaudes issues de la chambre de combustion. Les gaz de torréfaction chauds sortant de l'échangeur sont ensuite recyclés dans la zone de torréfaction pour apporter l'énergie thermique nécessaire à cette opération.

Dans ce cas, les fumées chaudes générées par la combustion d'une partie des gaz de torréfaction sont utilisées pour chauffer l'autre partie des gaz de torréfaction avant leur recyclage dans la zone de torréfaction et les fumées, refroidies, sont ensuite recyclées, seules, dans l'étape de séchage.

La demande de brevet US2012/137538 (Polysius) décrit un dispositif et un procédé de séchage et de torréfaction d'un matériau comprenant du carbone et de préférence de la biomasse dans un four multi-étagé comprenant une zone de séchage et une zone de torréfaction, lesdites zones comportant deux boucles de circulation de gaz séparées. La biomasse est envoyée dans une zone de séchage située en section haute du four afin d'éliminer la quasi-totalité de l'eau qu'elle contient, la biomasse séchée est ensuite envoyée dans la zone de torréfaction de laquelle sont extraits des gaz appelés gaz de torréfaction et la biomasse torréfiée. Les gaz de séchage contenant majoritairement de la vapeur d'eau, soutirés de la zone de séchage circulent dans une boucle de circulation indépendante et sont envoyés dans un échangeur de chaleur dans lequel ils sont chauffés à une température comprise entre 150 et 300°C avant d'être recyclés dans ladite zone de séchage pour apporter l'énergie thermique nécessaire à cette opération.

Les gaz de torréfaction soutirés de la zone de torréfaction sont envoyés dans une chambre de combustion de manière à générer des gaz de combustion ou fumées chaudes qui sont refroidis à une température supérieure à 300°C par passage dans ledit échangeur de chaleur par échange de chaleur avec les gaz de séchage circulant dans la boucle de séchage, avant d'être en partie recyclés dans la zone de torréfaction de manière à y apporter l'énergie requise. L'autre partie des fumées refroidies à une température supérieure à 300°C est recyclée dans la zone de séchage en mélange avec les gaz de séchage. L'échangeur de chaleur permet ainsi le réchauffage du gaz de recycle de la boucle de séchage et le refroidissement du gaz de la boucle de torréfaction.

L'énergie requise au sein de la zone de séchage est donc apportée d'une part par le recycle des gaz de séchage contenant majoritairement de la vapeur d'eau après réchauffage par passage dans un échangeur de chaleur, et d'autre part par une partie des gaz de combustion refroidis après passage dans ledit échangeur, provenant de la boucle de circulation des gaz de torréfaction, le mélange des gaz recyclés ayant une température comprise entre 150°C et 300°C.

Les gaz de combustion ou fumées générés par la combustion des gaz de torréfaction sont donc refroidis par passage dans un échangeur avant d'être recyclés en mélange avec les gaz de séchage chauffés dans la zone de séchage.

Tous les schémas décrits dans l'art antérieur proposent d'envoyer vers l'étape de séchage :

- soit des gaz chauffés par échange avec les fumées provenant d'une étape de combustion des gaz de torréfaction ou tout autre moyen de chauffage connu de l'Homme du métier

- soit d'envoyer des fumées issues de la combustion des gaz de torréfaction et/ou d'autres combustibles mais ayant préalablement subi au moins une étape de refroidissement.

La température des gaz envoyés dans la zone de séchage n'est jamais supérieure à une température de l'ordre de 400°C. Les procédés selon l'art antérieur sont toujours contraints d'avoir une zone de séchage dont les conditions ne sont pas optimales si l'on considère un enchaînement: zone de séchage et zone de torréfaction. Dans la présente invention, la demanderesse a mis en œuvre un nouveau procédé de torréfaction d'une charge carbonée et de préférence la biomasse comprenant une étape de séchage de ladite charge et une étape de torréfaction de la charge carbonée séchée produisant un gaz combustible et une charge carbonée torréfiée et de préférence de la biomasse torréfiée, permettant d'accroître l'efficacité de l'étape de séchage par une augmentation importante de la température des gaz envoyés au sein de ladite étape de séchage, et en particulier par une meilleure valorisation du niveau thermique des fumées générées par la combustion d'au moins une partie des gaz combustibles issus de la torréfaction, avec éventuellement un flux gazeux combustible d'appoint. En particulier, le procédé selon l'invention propose d'envoyer au sein de l'étape de séchage au moins une partie des gaz de combustion ou fumées chaudes provenant de la combustion d'une partie des gaz de torréfaction, sans étape intermédiaire de refroidissement desdits gaz de combustion ou fumées, en mélange avec au moins un effluent gazeux, la température du mélange gazeux étant comprise entre 200 et 900°C. La mise en contact du mélange comprenant des fumées, non refroidies, à très haute température en particulier d'au moins 700°C et au moins un autre effluent gazeux, ledit mélange ayant une température comprise entre 200 et 900°C, avec la charge carbonée et de préférence la biomasse dont la teneur en eau est généralement comprise entre 5% et 70% poids permet d'accroître l'efficacité de l'étape de séchage de manière très significative.

Un avantage de la présente invention est donc de réduire la surface de contact entre la charge carbonée et de préférence la biomasse et le gaz chaud envoyé dans l'étape de séchage ce qui permet ainsi de réduire le débit de gaz de séchage d'un facteur au moins égal à 1 ,1 .

Un autre avantage de la présente invention est d'augmenter le débit de charge d'un facteur au moins égal à 1 ,1.

Un autre avantage de la présente invention est de permettre le traitement d'une charge ayant une teneur en humidité supérieure à moins 0,5% poids. Dans toute la suite dans texte, il est important de noter que l'on définit l'étape de séchage au sens de la présente invention comme étant une étape dans laquelle la charge carbonée et de préférence la biomasse est injectée à une température proche de la température ambiante et dans laquelle elle est chauffée jusqu'à atteindre sa température humide. Lorsque cette température est atteinte, l'eau contenue dans ladite charge solide s'évapore et au cours de ce processus, la température du solide reste constante et égale à la température humide.

On entend par température humide, la température constante atteinte par le film liquide présent à la surface du solide à sécher lorsque, au cours du séchage, un équilibre stationnaire est atteint entre le flux de chaleur provenant de la phase gaz plus chaude et le flux de chaleur latente d'évaporation de l'eau. La notion de température humide est également décrite dans le Handbook of industrial drying. OBJET DE L'INVENTION

La présente invention concerne un procédé de torréfaction d'une charge carbonée comprenant au moins une étape de séchage de ladite charge carbonée et une étape de torréfaction de ladite charge carbonée séchée produisant des gaz de torréfaction et de la biomasse torréfiée, dans lequel, au moins une partie des gaz de torréfaction issus de l'étape de torréfaction est envoyé dans une étape de combustion produisant des gaz de combustion à une température au moins supérieure à 700°C dont au moins une partie est recyclée, sans étape de refroidissement intermédiaire, dans l'étape de séchage, en mélange avec au moins un effluent gazeux, la température du mélange gazeux recyclé dans l'étape de séchage étant comprise entre 200 et 900°C.

Un avantage de la présente invention est donc de fournir un procédé permettant de traiter, dans une installation donnée, un débit horaire de charge carbonée plus important dans la zone de séchage. Un autre avantage de la présente invention est de fournir un procédé permettant de traiter, dans une installation donnée, une charge présentant une teneur en humidité augmentée sans changer le débit horaire de ladite charge. Un autre avantage de la présente invention est de fournir un procédé ayant un débit de gaz de séchage minimisé sans changer la qualité ni le débit horaire de la charge traitée. La taille de la boucle de séchage peut ainsi être diminuée et donc être moins encombrante et moins coûteuse.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

La charge carbonée utilisée dans le procédé de torréfaction selon la présente invention est de préférence une charge biomasse.

La charge biomasse traitée dans le procédé de torréfaction selon l'invention peut avantageusement varier selon son origine. Elle peut être du bois ou des sous-produits du bois, tels que les déchets produits par l'exploitation forestière (rémanents forestiers), les scieries, les industries de transformation du bois. Elle peut aussi provenir des sous-produits de l'industrie tels que les boues ou les déchets agroalimentaires. La biomasse peut aussi être issue de l'agriculture traditionnelle et être constituée de résidus tels que la paille, des taillis, la bagasse, ainsi que des cultures dédiées à vocation énergétique (miscanthus, taillis à courte rotation...). Enfin, les déchets organiques, tels que les déchets urbains comprenant les boues d'épuration, les ordures ménagères peuvent également constituer la charge.

De préférence, la charge biomasse utilisée dans la présente invention est la biomasse lignocellulosique ou la cellulose et de manière préférée la biomasse lignocellulosique.

La biomasse lignocellulosique contient essentiellement trois constituants naturels présents en quantités variables selon son origine : la cellulose, l'hémicellulose et la lignine.

La charge biomasse lignocellulosique est de préférence utilisée sous sa forme brute, c'est-à-dire dans son intégralité de ces trois constituants cellulose, hémicellulose et lignine.

De préférence, la charge biomasse lignocellulosique comprend une teneur en eau comprise entre 5 et 70% poids par rapport à la masse totale de la biomasse.

Conformément à l'invention, ladite charge carbonée est envoyée dans un procédé de torréfaction comprenant au moins une étape de séchage au sens de l'invention de ladite charge et une étape de torréfaction de la charge carbonée séchée produisant des gaz de torréfaction et la charge carbonée torréfiée. Ladite étape de séchage au sens de l'invention et ladite étape de torréfaction comprennent respectivement au moins une zone de séchage et au moins une zone de torréfaction qui peuvent avantageusement être un four multi-étagé dans lequel la charge carbonée et de préférence la biomasse est introduite et s'écoule de manière gravitaire d'un plateau supérieur vers les plateaux inférieurs ou tout autre appareil permettant d'assurer un temps de séjour suffisant de la charge biomasse dans cette zone.

La charge biomasse comprenant une teneur en eau avantageusement comprise entre 5 et 70% poids est ainsi introduite dans ladite étape de séchage de manière à réduire sa teneur en eau jusqu'à des teneurs généralement inférieures à 10% poids et de préférence inférieures à 5% poids. Ladite charge est introduite dans l'étape de séchage à une température avantageusement comprise entre 10 et 30°C.

Au cours de l'étape de séchage, des gaz appelés gaz de séchage sont générés. Les gaz de séchage contiennent principalement de la vapeur d'eau provenant de la vaporisation de l'eau contenue dans la biomasse. En particulier, lesdits gaz de séchage comprennent principalement de l'eau, de l'azote, et du C0 ₂ et contiennent également des composés minoritaires tels que l'oxygène, et des composés volatils.

Conformément à l'invention, ladite étape de séchage au sens de l'invention est réalisée à l'aide d'un mélange gazeux entrant dans ladite étape de séchage à une température comprise entre 200 et 900°C, de préférence entre 300 et 900°C, de manière préférée entre 350°C et 900°C, de manière très préférée entre 370 et 900°C, de manière plus préférée entre 400 et 900°C et de manière encore plus préférée entre 450 et 900°C.

De préférence, le temps de résidence de la charge carbonée et de préférence de la biomasse solide introduite dans ladite étape de séchage est compris entre 5 minutes et 3 heures, de préférence entre 5 minutes et 2 heures, de manière préférée entre 5 minutes et 1 heure et de manière très préférée entre 5 minutes et 30 minutes.

De préférence, ladite étape de séchage est réalisée à une pression absolue comprise entre 0,05 et 0,2 MPa et de préférence entre 0,08 et 0,15 MPa. La charge carbonée et de préférence la biomasse introduite dans l'étape de séchage à une température avantageusement comprise entre 10 et 30°C est donc mise en contact avec un mélange gazeux ayant une température comprise entre 200° et 900°C.

L'injection du mélange gazeux à haute température au contact de la charge carbonée dont la température est proche de la température ambiante permet d'accroître le transfert thermique qui est proportionnel au gradient de température entre la phase gaz et la charge carbonée solide. Cet apport d'énergie augmente donc dans premier temps l'efficacité du chauffage de la charge carbonée solide jusqu'à ce qu'il atteigne sa température d'équilibre appelé température humide. Lorsque cet équilibre est atteint, l'eau contenue au sein du solide commence à s'évaporer et au cours de ce processus, la température du solide reste constante et égale à la température humide et l'énergie apportée par le mélange gazeux permet l'évaporation de l'eau libre. La vitesse de séchage est donc directement liée à l'apport de cette énergie provenant de la phase gaz qui est proportionnelle au gradient de température entre la phase gaz et la phase solide. L'injection dudit mélange de gaz entre 200°C et 900°C permet donc d'accroître d'autant plus l'efficacité de ce processus car la température du solide reste constante. A l'issue de ladite étape de séchage définie selon l'invention et au delà de cette teneur critique en eau, le processus de séchage ralentit car la diffusion de l'eau à travers le solide devient limitant, la température commence à augmenter et la vitesse de séchage ralentit au fur et à mesure que l'eau résiduelle est éliminée.

Ainsi, l'énergie requise au niveau de ladite étape de séchage au sens de l'invention est apportée par l'injection d'un mélange gazeux très chaud, à une température comprise entre 200 et 900°C et constitué d'une partie des gaz de combustion ou fumées générées par la combustion d'une partie des gaz de torréfaction seuls ou en mélange avec d'autres combustibles et d'un effluent gazeux de préférence réchauffé par passage dans au moins un échangeur de chaleur.

La mise en contact des fumées n'ayant pas subi d'étape de refroidissement intermédiaire et donc à très haute température et en particulier d'au moins 700°C et d'au moins un autre effluent gazeux, le mélange ayant une température comprise entre 200 et 900°C, avec la charge carbonée permet d'accroître l'efficacité de la zone de séchage de manière très significative et en particulier d'intensifier le transfert thermique et d'augmenter la vitesse de séchage. L'augmentation de l'efficacité de ladite étape de séchage au sens de l'invention peut se décliner de différentes façons. Ainsi, par exemple toutes choses étant égales par ailleurs, l'introduction d'un mélange de gaz chauds dans la gamme de température revendiquée dans ladite étape de séchage permet par exemple de réduire le débits des gaz de séchages recyclés d'un facteur au moins égal à 1 ,1 , ce qui permet de réduire la taille des tuyauteries et étapes de compression liées à la mise en circulation des gaz de séchage.

De même, toutes choses égales par ailleurs, l'introduction d'un mélange de gaz chauds dans la gamme de température revendiquée dans l'étape de séchage permet également d'augmenter la quantité de charge carbonée séchée par unité de temps d'un facteur au moins égal à 1 ,1 . Ainsi le procédé selon l'invention est capable de traiter un plus grand débit de charge.

Dans le cas où un appoint de gaz combustible est nécessaire à la chambre de combustion pour apporter l'énergie nécessaire aux étapes de torréfaction et de séchage, toutes choses égales par ailleurs, l'introduction d'un mélange de gaz chauds dans la gamme de température revendiquée dans l'étape de séchage au sens de l'invention permet également de réduire l'utilisation de l'appoint de gaz combustibles coûteux d'un facteur au moins égal à 1 ,1 en améliorant l'utilisation de l'énergie thermique issue de la combustion des gaz de torréfaction La charge carbonée séchée et de préférence la biomasse séchée est ensuite introduite dans une étape de torréfaction comprenant avantageusement au moins une zone de torréfaction et produisant des gaz de torréfaction et de la biomasse torréfiée.

De préférence, ladite étape de torréfaction est réalisée à une température de la phase gaz entrante comprise entre 200 et 450°C, de préférence entre 250°C et 400°C et de manière préférée entre 270 et 350°C. Le temps de séjour de la biomasse séchée dans ladite étape de torréfaction est avantageusement compris entre 5 et 600 minutes et de préférence entre 10 et 180 min et de façon encore plus préférée entre 10 et 90 minutes.

Au cours du processus de torréfaction, des gaz combustibles, appelés gaz de torréfaction, et un solide appelé biomasse torréfiée dans le cas où la charge carbonée est une charge biomasse sont générés. A l'issue de l'étape de torréfaction, la charge carbonée torréfiée et de préférence la charge biomasse torréfiée est avantageusement envoyée vers une étape de refroidissement avant stockage ou transport vers une autre opération. Les gaz de torréfaction sont riches en matière combustible et comprennent de préférence du monoxyde de carbone (CO), du dioxyde de carbone (C0 ₂ ), de l'acide acétique, du méthanol, du furfural, de l'azote, et également de l'oxygène.

Conformément à l'invention, au moins une partie desdits gaz de torréfaction combustibles sont valorisés et envoyés dans une étape de combustion produisant des gaz de combustion ou fumées, présentant une température au moins supérieure à 700°C, de préférence supérieure à 750°C, de manière préférée supérieure à 800°C, de manière très préférée supérieure à 850°C et de manière plus préférée supérieure à 900°C. De préférence, lesdits gaz de torréfaction sont envoyés dans une étape de combustion, seuls ou en mélange avec au moins un autre combustible.

Ainsi, selon la quantité desdits gaz de torréfaction générés lors de l'opération de torréfaction et selon leur pouvoir calorifique, donc suivant la sévérité de l'opération de torréfaction, un appoint en combustible est introduit dans ladite étape de combustion afin de couvrir l'ensemble des besoins énergétiques du système et en particulier d'apporter l'énergie requise pour la zone de séchage et la zone de torréfaction.

De préférence, le combustible est du gaz naturel.

Conformément à l'invention, au moins une partie desdits gaz de combustion ou fumées est recyclée, sans étape intermédiaire de refroidissement, dans l'étape de séchage, en mélange avec au moins un effluent gazeux, la température du mélange gazeux recyclé dans l'étape de séchage étant comprise entre 200 et 900°C, de préférence entre 300 et 900°C, de manière préférée entre 350°C et 900°C, de manière très préférée entre 370 et 900°C, de manière plus préférée entre 400 et 900°C et de manière encore plus préférée entre 450 et 900°C.

De préférence, la partie des gaz de combustion ou fumées recyclée dans l'étape de séchage est envoyée dans ladite étape de séchage sans passage préalable dans un échangeur de chaleur. De même, le mélange gazeux envoyé dans ladite étape de séchage comprenant au moins une partie desdits gaz de combustion ou fumées et au moins un effluent gazeux ne subit aucune étape de refroidissement, de préférence par passage dans un échangeur de chaleur avant son recyclage dans ladite étape de séchage.

L'effluent gazeux injecté en mélange avec au moins une partie desdits gaz de combustion ou fumées dans l'étape de séchage présente avantageusement une température comprise entre 120 et 550°C et de préférence entre 120 et 400°C de manière à ce que le mélange injecté dans l'étape de séchage ait une température comprise entre 200 et 900°C.

L'effluent gazeux injecté en mélange avec au moins une partie desdits gaz de combustion ou fumées dans l'étape de séchage est avantageusement constitué :

- soit d'au moins une partie des gaz de séchage issus de l'étape de séchage, lesdits gaz ayant préalablement été réchauffés de préférence par passage dans un échangeur de chaleur,

- soit de la partie des gaz de torréfaction non envoyée dans une étape de combustion, lesdits gaz ayant préalablement été réchauffés de préférence par passage dans un échangeur de chaleur. Dans les deux cas, ledit effluent gazeux est préalablement réchauffé dans un échangeur de préférence par échange de chaleur avec, au moins une partie des gaz de combustion ou fumées non recyclée dans ladite étape de séchage.

Ladite étape de séchage et ladite étape de torréfaction peuvent avantageusement être mises en œuvre dans une même enceinte ou dans deux enceintes différentes.

Dans le cas où ladite étape de séchage et ladite étape de torréfaction sont mises en œuvre dans une même enceinte, lesdites étapes de séchage et de torréfaction et de préférence lesdites zones de séchage et de torréfaction peuvent éventuellement être indépendantes l'une de l'autre ou pas.

Dans un premier mode de réalisation, lesdites étapes de séchage et de torréfaction et de préférence lesdites zones de séchage et de torréfaction sont indépendantes. Ainsi, des conditions opératoires spécifiques à chaque étape peuvent être appliquées de manière indépendante.

Dans ce cas, un moyen de transfert de la charge biomasse tel que par exemple une vanne rotative est avantageusement mis en œuvre entre lesdites étapes de séchage et de torréfaction et de préférence entre lesdites zones de séchage et de torréfaction.

Selon ce premier mode de réalisation, lesdites étapes de séchage et de torréfaction comportent deux boucles de circulation de gaz séparées.

Les gaz de séchage contenant principalement de la vapeur d'eau sont avantageusement extraits de l'étape de séchage et circulent dans une boucle de circulation de gaz appelée boucle gaz de séchage.

Les gaz de séchage sont envoyés dans un échangeur de chaleur dans lesquels ils sont réchauffés par échange de chaleur avec au moins une partie des gaz de combustion générés par la combustion d'au moins une partie et éventuellement la totalité des gaz de torréfaction extraits de l'étape de torréfaction.

Les gaz de torréfaction sont avantageusement extraits de l'étape de torréfaction et circulent dans une boucle de circulation de gaz appelée boucle gaz de torréfaction.

Au moins une partie et éventuellement la totalité des gaz de torréfaction est envoyée dans une chambre de combustion avec éventuellement un appoint de combustible et les gaz de combustion ou fumées chaudes générés sont en partie envoyés dans un échangeur de chaleur pour être refroidis avant leur recyclage dans l'étape de torréfaction et l'autre partie est envoyée directement sans étape préalable de refroidissement par passage dans un échangeur de chaleur dans l'étape de séchage, en mélange avec les gaz de séchage réchauffés circulant dans la boucle de séchage.

Dans le premier mode de réalisation, l'effluent gazeux injecté en mélange avec au moins une partie desdits gaz de combustion ou fumées dans l'étape de séchage est constitué d'au moins une partie des gaz de séchage, lesdits gaz ayant préalablement été réchauffés de préférence par passage dans un échangeur de chaleur. Afin de maintenir une pression constante au sein de cette boucle gaz de séchage, une partie des gaz est avantageusement envoyée vers un exutoire.

De même, afin de maintenir une pression constante au sein de cette boucle gaz de torréfaction, une partie des gaz peut éventuellement être envoyée vers un exutoire. Ainsi, dans ce cas, l'énergie requise au niveau de l'étape de torréfaction est apportée par le recyclage d'une partie des gaz de combustion ou fumées générés par la combustion d'une partie des gaz de torréfaction après leur refroidissement par échange de chaleur avec les gaz de séchage dans un échangeur de chaleur. Afin de maintenir une pression constante au sein de cette boucle gaz de torréfaction, une partie des fumées générées est avantageusement envoyée vers un exutoire.

Dans un deuxième mode de réalisation, lesdites étapes de séchage et de torréfaction et de préférence lesdites zones de séchage et de torréfaction ne sont pas indépendantes. Dans ce cas, la charge biomasse est introduite dans un dispositif et de préférence un four multi-étagé, comprenant un ou plusieurs plateaux au travers desquels la charge s'écoule d'un plateau supérieur vers les plateaux inférieurs par gravité. L'étape de séchage de la charge biomasse a lieu de préférence dans la partie haute du dispositif et l'étape de torréfaction a lieu dans la partie basse.

Dans ce cas, les zones de séchage et de torréfaction sont différenciées par la température de la biomasse. Dans la zone de séchage, il y a encore de l'eau à évaporer, la chaleur apportée par les gaz chaud sert à vaporiser cette eau et la température des particules de biomasse solide reste à la température humide. Dans la zone de torréfaction la chaleur apportée par les gaz chaud permet d'augmenter la température de la biomasse à des niveaux permettant les réactions de déstructuration propres à la torréfaction et de maintenir cette température pendant le temps nécessaire.

Selon ce deuxième mode de réalisation, lesdites étapes de séchage et de torréfaction comportent une seule boucle de circulation des gaz appelée boucle gaz de torréfaction. Les gaz de séchage comprenant majoritairement de la vapeur et les gaz de torréfaction générés sont avantageusement collectés et extraits simultanément en tête du dispositif.

Dans ce cas, on appelle également gaz de torréfaction ce mélange de gaz extrait à l'issue des étapes de séchage et de torréfaction opérant au sein du même dispositif. Ils présentent cependant une composition différente des gaz de torréfaction extraits de l'étape de torréfaction du premier mode de réalisation selon l'invention car ils sont constitués à la fois des gaz générés lors des réactions de torréfaction et des gaz de séchage comprenant majoritairement de la vapeur d'eau.

Au moins une partie desdits gaz de torréfaction peut éventuellement être envoyée dans un condenseur permettant d'extraire au moins une partie et de préférence la totalité de la vapeur d'eau sous forme d'eau liquide des gaz de torréfaction. Afin de maintenir une pression constante au sein de la boucle des gaz de torréfaction, une partie des gaz de torréfaction éventuellement débarrassés d'au moins une partie et de préférence la totalité de la vapeur d'eau est ensuite avantageusement envoyée dans une étape de combustion pour générer des gaz de combustion ou fumées ayant une température d'au moins 700°C, dont au moins une partie est recyclée dans l'étape de séchage, sans étape de refroidissement préalable par passage dans un échangeur, de préférence vers les plateaux supérieurs du dispositif mettant en œuvre le procédé selon l'invention. L'autre partie des gaz de torréfaction non envoyée dans l'étape de combustion est avantageusement réchauffée par échange de chaleur avec l'autre partie des fumées non recyclées dans l'étape de séchage, de préférence par passage dans un échangeur de chaleur, puis recyclée à la fois dans l'étape de séchage en mélange avec au moins une partie des fumées et dans l'étape de torréfaction.

Dans le deuxième mode de réalisation, l'effluent gazeux injecté en mélange avec au moins une partie desdits gaz de combustion ou fumées dans l'étape de séchage est constitué de la partie des gaz de torréfaction non envoyée dans une étape de combustion, lesdits gaz ayant préalablement été réchauffés de préférence par passage dans un échangeur de chaleur.

Afin de maintenir une pression constante dans la zone de séchage, une partie des gaz de séchage générés comprenant l'eau de séchage et des gaz chauds provenant de la boucle des gaz de torréfaction constituant le mélange recyclé est de préférence envoyée vers un exutoire. DESCRIPTION DES FIGURES

La figure 1 représente le premier mode de réalisation selon l'invention dans lequel lesdites étapes de séchage au sens de l'invention et de torréfaction sont indépendantes et dont la séparation est représentée sur la figure par la ligne 20.

Selon ce premier mode de réalisation, lesdites étapes de séchage et de torréfaction comportent deux boucles de circulation de gaz séparées. La boucle gaz de séchage est représentée par les flux (4), (5) et (7) et la boucle gaz de torréfaction est représentée par les flux (8), (10), (1 1 ),(12) et (13).

La charge biomasse brute (1 ) contenant une humidité généralement comprise entre 5 et 70% poids entre au sein d'une zone de séchage (A) afin de réduire sa teneur eau jusqu'à des teneurs généralement inférieur à 10% poids et de préférence inférieure à 5 % poids. La biomasse séchée (2) est envoyée vers une zone de torréfaction (B) indépendante de la zone de séchage.

Les gaz de séchage générés et représentés par le flux (5) dans la zone de séchage (A) sont extraits et envoyés dans un échangeur de chaleur (C) pour être réchauffés par échange de chaleur et sont extraits de l'échangeur et représentés par le flux (7). Les gaz réchauffés sont ensuite mélangés avec une partie des fumées de combustion (13) puis recyclés dans la zone de séchage (A). Le mélange est représenté par le flux (4).

Les gaz de torréfaction extraits de la zone (B) de torréfaction et représenté par le flux (8) sont envoyés dans une chambre de combustion (D) avec un appoint de combustible (9) pour générer des gaz de combustion ou fumées (10) ayant une température supérieure à 700°C. Au moins une partie des gaz de combustion représenté par le flux (13) est recyclée sans étape de refroidissement préalable dans la zone de séchage (A) en mélange avec les gaz de séchages réchauffés (7). Le mélange de gaz recyclé dans la zone de séchage est représenté par le flux (4). Ainsi, la température de la zone de séchage est contrôlée par l'injection directe des gaz de combustion ou fumées (13) provenant de la chambre de combustion en mélange avec les gaz de séchage réchauffés (7). Afin de maintenir une pression constante dans la zone de séchage, une partie des gaz de séchage générés pendant le processus de séchage et une partie des gaz de combustion ou fumées (13) provenant de la boucle gaz de torréfaction peuvent être envoyés vers un exutoire (6). La charge biomasse torréfiée (3) est évacuée de l'étape de torréfaction (B). La figure 2 représente le deuxième mode de réalisation selon l'invention dans lequel lesdites étapes de séchage et de torréfaction ne sont pas indépendantes. Lesdites étapes de séchage et de torréfaction comportent une seule boucle de circulation des gaz appelée boucle gaz de torréfaction.

La biomasse brute (1 ) entre dans un dispositif dans lequel elle va être séchée (zone (A)) et torréfiée (zone (B)). Au cours du processus de séchage et de torréfaction, des gaz de séchage contenant principalement de la vapeur d'eau et des gaz de torréfaction sont générés et collectés simultanément. Ils sont représentés par le flux (4). Au moins une partie de ces gaz (5) est envoyée dans un condenseur (E) de manière à éliminer principalement l'eau représenté par le flux (7). Afin de maintenir une pression constante au sein de la boucle des gaz de torréfaction, une partie des gaz de torréfaction (8) issu du condenseur est ensuite envoyée dans une chambre de combustion (F) avec un combustible d'appoint (9) pour générer des gaz de combustion ou fumées (10) ayant une température d'au moins 700°C. Au moins une partie des gaz de combustion ou fumées représenté par le flux (12) est mélangée, sans étape de refroidissement préalable par passage dans un échangeur, avec une partie des gaz de torréfaction réchauffée (1 1 ) par passage dans l'échange (D) vers la zone (A) correspondant à la zone de séchage, en tête du dispositif mettant en œuvre le procédé selon l'invention.

L'autre partie des gaz de torréfaction (6) non envoyée dans l'étape de combustion est réchauffée par échange de chaleur avec l'autre partie des fumées non recyclées (14) dans l'étape de séchage, par passage dans un échangeur de chaleur (D), puis recyclée (1 1 ) à la fois dans la zone (A) (13) de séchage en mélange avec au moins une partie des fumées non refroidies (12) et dans la zone de torréfaction (B).

Les fumées refroidies dans l'échangeur de chaleur (D) sont extraites de l'échangeur est représentées par le flux (15).

Les exemples illustrent l'invention sans en limiter la portée. EXEMPLES

Exemple 1 : comparatif

Un exemple non-conforme à l'invention et en particulier selon le procédé décrit dans le brevet US 2012/0137538 est présenté ci-après : l'exemple est non-conforme à l'invention en ce que les gaz de combustion ou fumées générés par la combustion des gaz de torréfaction sont refroidis par passage dans un échangeur avant d'être recyclés en mélange avec les gaz de séchage chauffés dans la zone de séchage.

Un débit de plaquette de bois comprenant 30% d'humidité est envoyé vers une étape de séchage puis vers une étape de torréfaction. Lesdites étapes comportant deux boucles de circulation de gaz séparées. La biomasse humide est envoyée dans une étape de séchage afin d'éliminer la quasi-totalité de l'eau qu'elle contient, la biomasse séchée est ensuite envoyée dans la zone de torréfaction de laquelle sont extraits des gaz appelés gaz de torréfaction et la biomasse torréfiée.

Le tableau 1 suivant donne un exemple de débit et de teneur en eau de la biomasse à travers les différentes étapes de séchage et de torréfaction.

Tableau 1

Les gaz soutirés de l'étape de séchage et contenant principalement de la vapeur d'eau, circulent dans une boucle de circulation indépendante et sont envoyés vers un échangeur de chaleur dans lequel ils sont réchauffés puis mélangés à un débit de fumées refroidies. Le mélange est ensuite recyclé dans ladite étape de séchage pour apporter l'énergie thermique nécessaire à cette opération. Afin de maintenir une pression constante dans la boucle gaz de séchage une portion des gaz en sortie de l'étape de séchage est envoyée vers un exutoire.

Les gaz soutirés de la zone de torréfaction sont valorisés dans une chambre de combustion de manière à générer des gaz de combustion ou fumées chaudes. Les fumées sont refroidies par passage dans un échangeur de chaleur par échange de chaleur avec les gaz de séchage circulant dans la boucle de séchage, avant d'être en partie recyclées dans la zone de torréfaction de manière à y apporter l'énergie requise.

Le tableau 2 suivant présente les propriétés des gaz de la boucle de séchage :

Tableau 2

L'énergie requise au sein de la zone de séchage est donc apportée d'une part par le recyclage des gaz de séchage contenant principalement de la vapeur d'eau après réchauffage par passage dans un échangeur de chaleur, et d'autre part par une partie des gaz de combustion refroidis après passage dans ledit échangeur, provenant de la boucle de circulation des gaz de torréfaction.

Les gaz de combustion ou fumées générés par la combustion des gaz de torréfaction sont donc refroidis par passage dans un échangeur avant d'être recyclés en mélange avec les gaz de séchage chauffés dans la zone de séchage. Le mélange du flux d'une partie des fumées refroidies et du recyclage des gaz de séchage permet d'atteindre la température de 250°C en entrée de l'étape de séchage.

L'énergie requise pour l'opération de séchage est d'environ 2150 kW et est apportée par la boucle de séchage dont la température passe de 250°C à 1 10°C.

Dans cet exemple, le temps de séjour requis pour cette étape de séchage est de 30 min. Le débit de gaz de séchage nécessaire est de 43 000 Nm ³ /h.

Exemple 2 selon l'invention

Le procédé selon l'invention est mis en œuvre en se référant à la figure n°3. Le même débit de plaquette de bois (1 ) est envoyé dans une étape de séchage (A) afin d'éliminer la quasi-totalité de l'eau qu'elle contient, la biomasse séchée (2) est ensuite envoyée dans la zone de torréfaction non représentée sur la figure 3.

Le tableau 3 suivant donne les propriétés de la biomasse à travers les différentes étapes de séchage et de torréfaction.

Tableau 3

Les gaz de séchage (5) contenant principalement de la vapeur d'eau, soutirés de la zone de séchage (A) circulent dans une boucle de circulation indépendante et sont envoyés dans un échangeur de chaleur (C). Ces gaz sont alors chauffés par le refroidissement d'un flux gazeux (1 1 ) et (12) avant d'être recyclés (7) dans ladite étape de séchage (A) pour apporter l'énergie thermique nécessaire à cette opération. Des fumées (13) à haute température provenant de la combustion des gaz de torréfaction issus de la zone de torréfaction non représentée sur la figure 3 et d'un appoint de gaz naturel sont mélangées au gaz de recycle (7) sortant de l'échangeur de chaleur (C) produisant le mélange gazeux (4) qui est recyclé à haute température vers la zone de séchage (A). Afin de maintenir une pression constante dans la boucle gaz de séchage, une portion des gaz en sortie de l'étape de séchage est envoyée vers un exutoire (6).

Le tableau 4 récapitule les caractéristiques des différents flux.

Tableau 4

Le mélange du flux des fumées chaudes à une température de 900°C (13) et des gaz de séchage réchauffés (7) permet d'atteindre la température de 600°C en entrée de la zone de séchage (4). L'énergie requise pour l'opération de séchage est d'environ 2150 kW et est apportée par la boucle de séchage dont la température passe de 600°C à 1 10°C.

Dans cet exemple le temps de séjour requis pour cet étape de séchage est de 15 min d'où une diminution d'un facteur 2 sur le temps de séjour par rapport à l'exemple précédent. Le débit de gaz de séchage nécessaire est de 13 000 Nm ³ /h d'où une diminution d'un facteur d'environ égale à 3.

L'invention permet ainsi de réduire le temps de séjour requis au sein de l'étape de séchage au sens de l'invention permettant une réduction de l'investissement sur l'équipement de séchage ainsi que sur l'ensemble des conduites de gaz et équipement de la boucle de séchage du fait de la réduction du débit nécessaire à l'opération.

L'invention permet de réduire également d'un facteur 3 les consommations électriques des équipements permettant d'assurer la circulation des gaz dans la boucle de séchage.