Domaine de 1 ' invention

La présente invention concerne la production de biocombustible solides à partir d'un traitement de biomasse de provenances diverses, par un procédé de vapocraquage ou explosion à la vapeur ( « steam explosion » en anglais ) .

La biomasse constitue une énergie primaire renouvelable transportable sur son lieu de transformation mais constitue une source d' énergie peu dense, variable et périssable.

La transformation de biomasse lignocellulosique (bois, résidus agricoles, coproduits de l ' agriculture et de 1 ' agro-industrie ) en un composé dense énergétiquement, transportable et facilement stockable permet de développer et consolider une filière industrielle d'énergie stationnaire (biocombustible utilisé en un point fixe, le foyer, contrairement aux biocarburants) et de réduire les impacts environnementaux (émission C02 fossile, avec une biomasse sans fertilisants ni phytosanitaires ) .

Le traitement thermique de la biomasse par vapocraquage permet cette densification de 1 ' énergie et modifie la structure de la biomasse traitée :

- Les matériaux lignocellulosiques sont défibrillés

- La cristallinité de la cellulose est augmentée en raison de la cristallisation des parties amorphes

- Les hémicelluloses sont facilement hydrolysées

- La délignification est promue en raison des modifications dans la structure de la lignine.

L'explosion à la vapeur est un traitement de la biomasse communément utilisé pour la production de biocombustibles , notamment sous forme de granulés ( « black pellets » en anglais) . Il emploie à la fois des méthodes physiques/mécaniques et chimiques pour rompre la structure du matériel lignocellulosique . En termes généraux, l'explosion à la vapeur est une violente évaporation ou évaporation flash de l'eau en vapeur. Les récipients sous pression qui opèrent au-dessus de la pression atmosphérique peuvent aussi fournir les conditions pour une rapide ébullition qui peut être caractérisée comme explosion à la vapeur. La biomasse introduite dans un réacteur de vapocraquage, en continu ou par lots, est rapidement chauffée avec de la vapeur saturée sous haute pression. Le mélange biomasse/vapeur est maintenu pendant un certain temps pour promouvoir l'hydrolyse des hémicelluloses et autres changements chimiques et physiques, cette période est alors suivie par une décompression explosive. L'explosion à la vapeur est typiquement initiée à une température de 160-260 °C pour quelques secondes à quelques minutes avant que le matériau ne soit exposé à la pression atmosphérique.

L'appareil pour l'explosion à la vapeur consiste en un évaporateur (générateur de vapeur) et un réacteur qui est soumis à une rapide décompression. L'explosion à la vapeur peut être décrite comme étant composée de deux phases successives : le vapocraquage (c.-à-d. la rupture des molécules complexes en molécules plus petites sous l'effet de la vapeur) et la décompression explosive.

La première phase consiste à faire pénétrer de la vapeur sous haute pression à l'intérieur de la structure du matériau. Ainsi, la vapeur se condense et mouille la surface du matériau. L'eau condensée initie l'hydrolyse des groupements acides acétyles et méthylglucuroniques présents dans les hémicelluloses. Les acides ainsi libérés diminuent le pH du milieu et catalysent la dépolymérisation des hémicelluloses. L'application de conditions plus drastiques permet la formation de monosaccharides tout en augmentant la concentration en furfural et 5- hydroxyméthylfurfural, qui sont des inhibiteurs de fermentation.

Lors de la seconde phase, la décompression explosive entraîne l'évaporation instantanée d'une partie de l'eau de condensation présente dans la structure Cette expansion de la vapeur d'eau exerce une force de cisaillement sur la structure environnante. Si la force de cisaillement est assez élevée, la vapeur causera la rupture mécanique des structures lignocellulosiques. Les effets combinés des deux stades incluent la modification des propriétés physiques du matériau (surface spécifique, rétention d'eau, coloration, cristallinité de la cellulose, etc.), l'hydrolyse des composants hémicellulosiques, et la modification de la structure chimique de la lignine, permettant l'ouverture du matériau et facilitant leur extraction.

Les deux paramètres contrôlant l'explosion à la vapeur sont la température de réaction et le temps de séjour. Le temps que la biomasse passe dans le réacteur aide à déterminer le degré d'hydrolyse des hémicelluloses par les acides organiques. Cependant, de longs temps de séjour augmenteront aussi la production de produits de dégradation, qui doivent être minimisés dans un procédé de fermentation ultérieur. La température contrôle la pression de vapeur dans le réacteur. Des températures plus élevées se traduisent par des pressions plus élevées, augmentant ainsi la différence entre la pression du réacteur et la pression atmosphérique. La différence de pression est à son tour proportionnelle à la force de cisaillement.

Les paramètres du procédé sont critiques, et pour faciliter la comparaison de différentes options, on a développé un modèle basé sur les hypothèses que la cinétique du procédé est du premier ordre et obéit à la loi d'Arrhénius, permettant de développer l'ordonnée de la réaction (R0) :

R0 =f exp [ (Tr - Tb)/14.75] dt

Où Tr est la température de réaction (°C) , Tb est la température de base (point d'ébullition de l'eau à la pression atmosphérique ! 100 ^e C), t est le temps de séjour (min) et 14.75 est l'énergie conventionnelle d'activation en supposant que le procédé général est hydrolytique et la conversion générale est du premier ordre. La valeur loglO de l'ordonnée de la réaction donne le facteur de sévérité (ou sévérité) qui est employé pour représenter les effets de l'explosion à la vapeur sur la biomasse : Sévérité = loglO(RO)

Généralement, la production de biocombustibles par vapocraquage est faite à partir de biomasse naturelle, provenant de coupe de bois ou de taillis, ou de produits dérivés de l'exploitation du bois, voire d'autres produits agricoles, et le point de fonctionnement est optimisé pour obtenir une bonne qualité énergétique pour la poudre vapocraquée. Toutefois, aujourd'hui, la multiplication des projets de valorisation de biomasse génère des tensions fortes sur les filières d'approvisionnements en bois notamment. Les usages actuels vers le bois fibre (panneau de particules et papeterie), voire sur le bois de construction ou d'ameublement massif tirent les prix vers le haut.

Par ailleurs, les politiques environnementales visent à augmenter le recyclage des produits en fin de vie, et à limiter voire interdire les solutions d'enfouissements des déchets de filière. La plupart des coproduits organiques issus de la biomasse terminent en unité de valorisation énergétique, c'est- à-dire en incinérateur.

Les professionnels de la filière bois utilisent une classification d'usage distinguant les bois dit « A », les bois dit « B » et les bois dit « C », proposée par l'ADEME dans le rapport « Référentiels combustibles bois énergie de 1 'ADEME » de 2017.

Le bois dit « A » est composé de déchets d'emballages en bois non revêtus, non traités.

Le bois dit « B » est composé de déchets de bois non dangereux contenant une faible quantité d'adjuvants ou autres matières ; bois collés, bois ayant reçu un traitement en surface (préservation, finition) ou un revêtement (papier peint, mélamine, polypropylène—) . A ce titre, cette catégorie rassemble les panneaux, les bois d'ameublement, les bois de démolition exempts de gravats. Le bois dit « C » est composé quant à lui de déchets dangereux (bois créosotés par exemple) détruits en usine d'incinération de déchets spéciaux ou utilisés dans les fours de cimenteries. Le vapocraquage diffère d'un prétraitement hydrothermique, aussi appelé fractionnement aqueux, solvolyse, hydrothermolyse ou traitement hydrothermique, en ce que ce dernier consiste à utiliser de l'eau à haute température et à haute pression afin de promouvoir la désintégration et la séparation de la matrice lignocellulosique. Cette technique n'est pas adaptée à la production de granulés noirs puisque les produits obtenus sont majoritairement liquides.

La pyrolyse est une décomposition chimique d'un composé organique par chauffage intense en absence d'oxygène. Les composés obtenus après pyrolyse diffèrent dans leurs caractéristiques de ceux obtenus par vapocraquage . Le vapocraquage ne peut être assimilé à une technique de pyrolyse en ce qu'il emploie une explosion à la vapeur et se fait en présence d'oxygène.

État de la technique

On connaît, par exemple du document W02012/109490, ou du document CN105806735A des techniques de pyrolyses utilisant des modèles numériques afin d'optimiser les paramètres de leurs procédés. Ces techniques connues de pyrolyse reposent sur la décomposition chimique d'un composé organique par chauffage intense en absence d'oxygène .

Le document BV BABU « Biomass pyrolysis : a State of the art review » décrit également un état des techniques de pyrolyse.

Le brevet américain US2013/341569 décrit des méthodes de prétraitement de la biomasse comprenant une étape de vapocraquage afin de générer du gaz de synthèse. Ce procédé comprend également un convertisseur catalytique utilisant un système de commande qui, en fonction de la composition du matériau catalyseur, adapte la conversion des gaz. Dans ce brevet, l'utilisation d'un modèle numérique s'effectue pour l'étape de vapocraquage et ce afin d'obtenir les paramètres optimaux en fonction de la nature et de la teneur des substances contaminantes. Ce document divulgue un procédé de commande impliqué dans le convertisseur catalytique sans évoquer de commande du vapocraquage.

Enfin, « Superheated steam pyrolysis of biomass elemental components and Sugi (Japanese cedar) for fuels and Chemicals ») concerne une méthode de pyrolyse à la vapeur surchauffée de composants de biomasse ainsi que de Sugi (cèdre Japonnais) pour produire des carburants et des produits chimiques. Ce document divulgue un procédé utilisant un modèle numérique de pyrolyse à la vapeur surchauffée dont l'application se limite à des échantillons de certains constituants individuels de la biomasse (Xylan, cellulose, lignine-etc ) ou à un seul type de biomasse, à savoir le cèdre japonais nommée « native biomass » (Tableau 1 page 1273 ; colonne de droite, page 1273, ligne 1-5).

Le brevet européen EP2373767B1 décrit un autre exemple de procédé pour la production de granulés ou de briquettes à partir d'un matériau contenant de la lignine sous la forme de particules traitables, comprenant les étapes consistant à :

(a) faire passer le matériau contenant de la lignine ayant une teneur en humidité relative de 0 à 20 % en poids dans un réacteur ;

(b) chauffer le matériau contenant de la lignine à 180 à 235 °C en injectant de la vapeur dans le réacteur ;

(c) maintenir le matériau dans le réacteur à la température atteinte pendant 1 à 12 minutes afin de ramollir le matériau et de libérer de la lignine ;

(d) réduire la pression dans le réacteur en au moins une étape ; et

(e) former le matériau traité pour former des pastilles ou des briquettes. Inconvénients de l'art antérieur

Les solutions de l'art antérieur ne sont pas totalement satisfaisantes car soit elles utilisent des procédés de pyrolyse qui ne permettent pas de produire des granulés noirs, soit elles prévoient une commande des paramètres uniquement pour un convertisseur catalytique, soit elles nécessitent l'approvisionnement en biomasse naturelle, qui peut s'avérer restrictif.

L'utilisation de modèle numérique est, dans l'art antérieur, appliqué seulement :

- aux systèmes de pyrolyse, qui ne permettent pas d'obtenir des composés ayant les caractéristiques nécessaires à l'obtention de granulés noirs

- à des systèmes n'impliquant pas le paramétrage du vapocraquage dans le modèle numérique.

En effet, les solutions de l'art antérieur sont conçues pour optimiser le point de fonctionnement, et notamment le facteur de sévérité, en fonction de la qualité du produit final, à savoir la matière pulvérulente utilisée pour fabriquer ensuite des granulés, ainsi que du rendement énergétique de la production de granulés.

La granulométrie et le rendement énergétique décroissent lorsque le facteur de sévérité augmente.

Par contre, si le facteur de sévérité est insuffisant, le pouvoir calorifique du matériau vapocraqué diminue et les produit est plus fibreux que pulvérulent, ce qui rend difficile sa mise en forme de granulés.

Dans l'état de la technique, on exclut l'utilisation de biomasse contaminée afin d'éviter la pollution des granulés par des contaminants résiduels.

Il est certes possible de nettoyer le bois par un trempage dans diverses solutions chimiques, minérales, ou organiques, exigeant une dilution, une perte de molécules par absorption par le bois, et provoquant une augmentation de l'humidité. D'autres procédés préconisent des traitements à haute température, où le produit sortant est un gaz combustible, mais l'utilisation du gaz est limitée par les contaminants volatils. Les technologies sont coûteuses et peu matures, dans un domaine où la valeur du produit final doit être compatible avec celles des commodités énergétiques.

Les procédés de dépollution des produits n'ont de sens que pour un réemploi moins cher. Dans le cas des meubles, il s'agit plus de réparations de l'objet ou de démontage et recyclage de certaines parties : panneaux de particules vers panneautiers par exemple.

Solution apportée par l'invention

Afin de pallier les inconvénients de l'art antérieur concernant la moindre disponibilité de la biomasse naturelle et l'inadéquation des installations connues pour le traitement de biomasse contaminée, la présente invention concerne selon son acception la plus générale un procédé de production d'un biocombustible par vapocraquage de biomasse

caractérisé en ce que :

- On enregistre un modèle numérique des paramètres de vapocraquage optimaux en fonction de la nature et de la teneur des substances contaminantes

On introduit dans le réacteur de vapocraquage une biomasse contenant au moins en partie de la biomasse contaminée On mesure au moins une fois pendant le traitement la nature et la teneur des substances contaminantes

On commande l'ajustement des paramètres du vapocraquage en fonction de la nature et de la teneur des substances contaminantes mesurée et dudit modèle numérique. On entend par « biomasse ligno-cellulosique contaminée » au sens du présent brevet de la biomasse ligno-cellulosique contenant au moins une substance qui ne se trouve pas naturellement dans la biomasse naturelle avant traitement par une intervention humaine. Les contaminants sont par exemple des peintures, vernis, adjuvants chimiques, ainsi que des métaux ou polymères, mais aussi des substances biologiques exogènes mortes ou vivantes .

Selon un mode de réalisation avantageux, La biomasse ligno- cellulosique contaminée présente une humidité inférieure à 27%, et est directement soumise à un traitement de vapocraquage sans autre traitement thermique ou chimique préalable. On entend par « substances comtaminantes » ou « contaminants » au sens du présent brevet, toute substance qui n'est pas présente naturellement dans la biomasse ligno-cellulosique. Il s'agit plus généralement d'un élément organique ou chimique, ou d'une substance contenue dans la biomasse en quantité anormale (c'est- à-dire non naturelle). Un excès de contaminants, des polluants, de la saleté ou des impuretés, peut aboutir à une contamination, éventuellement bactérienne. Les contaminants sont des substances biologiques (bactéries, champignons et autres microorganismes), chimiques (métaux lourds), physiques ou radiologiques. Si les contaminants sont des déchets et des émissions indésirables, le terme pollution est plus approprié (pollution de l'environnement). La nature et la teneur des contaminants peuvent être facilement déterminées par des analyses physico-chimiques .

Selon un mode de réalisation avantageux, ledit paramètre ajusté comprend au moins l'un des paramètres suivants : facteur de sévérité, pression de vapocraquage, température de vapocraquage, durée de vapocraquage, arrêt du vapocraquage, ratio vapeur/solide ( lessivage stripping) , taux de remplissage de la cuve de vapocraquage, vitesse d'avancement dans l'enceinte de vapocraquage en continu.

Selon des variantes :

ladite étape de mesure consiste à procéder à un prélèvement de la biomasse entrante dans l'enceinte de vapocraquage et à appliquer une analyse physico-chimique sur ledit prélèvement pour caractériser et quantifier les contaminants présents. ladite étape de mesure consiste à procéder à un prélèvement des effluents gazeux ou liquide dans ou à la sortie de l'enceinte de vapocraquage et à appliquer une analyse physico-chimique sur ledit prélèvement pour caractériser et quantifier les contaminants présents. ladite étape de mesure consiste à procéder à un prélèvement d'un échantillon de produits vapocraqués dans ou à la sortie de l'enceinte de vapocraquage et à appliquer une analyse physico-chimique sur ledit prélèvement pour caractériser et quantifier les contaminants présents. ladite étape de mesure consiste à procéder à un prélèvement d'un échantillon de granulés et à appliquer une analyse physico-chimique sur ledit prélèvement pour caractériser et quantifier les contaminants présents.

Selon un mode de mise en œuvre particulier, on procède à l'enregistrement horodaté périodique d'une partie au moins des résultats des mesures, ainsi que des résultats de la mesure sur un échantillon de granulés obtenus pendant le même cycle.

Selon une autre variante avantageuse, on injecte lesdits résultats dans une blockchain. Avantageusement , on injecte dans un système d'apprentissage supervisé pour produire ledit modèle numérique.

Selon une variante, ledit modèle est déterminé par une série de simulations chimiques .

L'invention concerne aussi une installation pour la mise en œuvre de ce procédé.

Description détaillée d'un exemple non limitatif de

réalisation de l'invention

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit se référant aux dessins annexés concernant un examen non limitatif de réalisation, où !

[Fig. 1] la figure 1 représente une vue schématique d'une installation de vapocraquage en discontinu mais le principe général est valable pour un procédé continu.

Vapocraquage de biomasse contaminée

En sus de l'effet connu du vapocraquage pour réduire les fibres en poudre et homogénéiser les biomasses, l'effet du traitement à la vapeur permettrait d'extraire des composés extractibles rendus volatils par la partition des molécules ou éléments mineurs ou majeurs en phase vapeur, ou par des réactions chimiques de dépolymérisation. Ainsi des métaux lourds comme le zinc peuvent se volatiliser, des plastiques seraient hydrolysés et vaporisés, des composés chlorés ou azotés seraient extraits, des composés biologiques seraient inactivés.

Le procédé selon l'invention ne nettoie pas la biomasse mais modifie les concentrations dans la fraction solide et enrichit la fraction gazeuse. Le traitement d'un volatil par des systèmes classiques de traitement des effluents gazeux, par lavage, complexation ou par combustion est plus facile que sur une fraction solide. Par ailleurs le résidu solide verrait certains composés se réduire en concentration : composés halogénés, métaux lourds, éléments majeurs (azote, chlore). Il s'agit d'éléments significativement suivis pour l'usage de la biomasse vapocraquée en combustion (sous forme de granulé noir ou black pellet). Cependant la nature des volatils, leur dépollution par combustion, leur éventuelle toxicité doivent être appréhendées par des analyses rigoureuses.

En agissant sur les conditions de traitement (durée, température et donc sévérité) et en suivant les émissions volatiles des composés (chlore par exemple, mais aussi les métaux lourds), ainsi que les traceurs de polymères plastiques fossiles ou de traitements chimiques sur la fraction solide, on peut orienter la partition des molécules et obtenir un granulé noir moins additivé, et permettant des usages qui auraient été réglementairement limités.

Description d'un exemple d'installation

La figure 1 représente une vue schématique d'une installation de vapocraquage de biomasse. L'installation pour l'explosion à la vapeur consiste en un évaporateur (100) générant de la vapeur et un réacteur (200) qui est soumis à une rapide décompression.

Elle comprend un réacteur de vapocraquage (200) et un éclateur (300). Le réacteur (200) est rempli de biomasse à travers la valve (13). Après fermeture de la valve (13), la vapeur est introduite dans le réacteur à travers la valve de mise en charge (6). On permet ensuite au réacteur (200) d'atteindre la température cible avant de démarrer la période de temps à la température voulue. Habituellement, environ 20 secondes sont requises pour atteindre la température voulue. A la fin de la période voulue, la valve (9) est ouverte pour permettre la décompression explosive. Le matériau explosé à la vapeur passe à travers le tuyau de connexion et remplit le récipient collecteur ( 300 ) . Une pompe haute-pression (1) alimente le générateur de vapeur (100). Des colliers chauffants (2) assure la thermostabilisation des différents équipements.

L'installation comporte par ailleurs des manomètres et capteurs (3) pour la mesure de la pression et de la température dans le générateur de vapeur (100), ainsi qu'un manomètre et capteur (4) pour la mesure de la pression et de la température dans le réacteur (200). Une vanne d'isolement (5) commande l'arrivée de la vapeur dans le générateur (200). Une soupape de sécurité (7) limite la pression dans le générateur de vapeur (100). Le réacteur (200) comporte également une soupape de sécurité. L'éclateur (300) est muni d'un manomètre (12). L'alimentation du réacteur (200) est réalisée par une chambre d'alimentation (14) entraînant un volume contrôlé de la biomasse stocké dans une réserve (15).

L'installation comporte un ou plusieurs équipements de prélèvement (50 à 54) d'échantillons solides, liquides ou gazeux pour l'analyse de la teneur en contaminants. Ces données sont traitées par un automate programmable (16) commandant les paramètres de l'installation, en fonction du résultat des analyses et des paramètres fournis par les capteurs de pression et de température. Les données sont par ailleurs enregistrées dans une mémoire (17), qui contient aussi l'enregistrement du modèle de traitement déterminant les paramètres à appliquer en fonction du résultat des analyses.

Cette mémoire (17) est associée à un calculateur appliquant des traitements d'apprentissage supervisé sur les données historiques enregistrées dans la mémoire (17), et qui commande aussi l'injection des données dans une blockchain.

Facteur de sévérité et réglage de l'installation.

Les réglages pour le traitement d'une biomasse contaminée prennent en compte les conditions d'élimination optimale, dans le réacteur (200), d'une partie des contaminants. Les réglages des paramètres et du point de fonctionnement ne sont donc pas uniquement choisis en fonction du processus de déstructuration des matériaux lignocellulosiques, mais aussi de leur effet sur l'évaporation ou la destruction de certains contaminants ou les réactions de décontamination.

A cet effet, on élabore un modèle numérique des réglages adaptés à chaque contaminant et à chaque combinaison de contaminant, pour disposer un référentiel numérique permettant d' adapter automatiquement les paramètres de fonctionnement à la nature de la biomasse entrant dans le réacteur (200) .

La construction de ce modèle peut être réalisée de manière expérimentale, en procédant à une succession de traitements de diverses biomasses contaminés, avec des réglages différents, pour retenir les réglages correspondant à la minimisation des contaminants encore présents dans les granulés produits .

Ce modèle peut aussi être élaboré par une solution d'apprentissage supervisé, à partir des données historiques enregistrées .

Enfin, le modèle peut être élaboré par des simulation des réactions chimiques concernant les principaux contaminants susceptibles d'être présent dans certaines biomasses .

Ce modèle détermine pour chaque classe de contaminants les réglages à sélectionner.

Lors d'un nouveau traitement, les analyses physico-chimiques fournissent la nature et la composition des contaminants, et un calculateur détermine automatiquement les réglages de 1 ' installation en fonction du résultat des analyses et du modèle numérique enregistré.

Les granulés ainsi produits présentent toutes les qualités calorifiques, en améliorant par ailleurs les qualités de stérilité et d' innocuité biologique des granulés, bien qu 'obtenus à partir de biomasse contaminée, notamment de contaminants biologiques (champignons, bactéries,...) .