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 l'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 l'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 (RO) :

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°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.

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 la 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.

Etat de la technique

On connaît, par exemple du document W02012/ 109490 , ou du document CN105806735A, des techniques de pyrolyse 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 de la technique des techniques de pyrolyse. Ces procédés diffèrent cependant des techniques de vapocraquage .

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 ceux 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, SAGEHASMI ET AL : « Superheated steam pyrolysis of biomass elemental components and Sugi (Japanese cedar) for fuels and Chemicals » divulgue un procédé utilisant un modèle numérique de pyrolyse à la vapeur surchauffé dont l'application se limite à des échantillons de certain constituant individuel de biomasse (Xylan, cellulose, lignine...etc ) ou à un seul type de biomasse, à savoir le cèdre japonais (Tableau 1 page 1273 ; colonne de droite, page 1273, ligne 1-5).

Inconvénients de l'art antérieur

Avec les solutions connues dans l'état de la technique, la meilleure solution pour garantir le meilleur résultat du vapocraquage est de faire un approvisionnement régulier et maîtrisé d'une même qualité de biomasse. Dans le cas du bois, il s'agit de fournir des lots homogènes de bois de la même espèce de la même parcelle, avec une sélection sur les tailles d'arbre et diamètre de troncs notamment pour avoir un écorçage régulier. En cas de ressources variables, il faut chercher à regrouper par lots homogènes et alimenter le vapocraqueur avec ces lots, et à chaque changement de lots et qualité réadapter les paramètres opératoires du vapocraquage . Cela impose une traçabilité et un respect du cahier des charges par les fournisseurs de biomasse, une grande confiance, et au niveau de l'usine une capacité à identifier les changements de lots ou de qualités pour modifier la conduite des opérations. Toutefois cela n'empêche pas que certains lots soient mélangés par d'autres espèces, âges variables ou qualités différentes de biomasses .

Les solutions de l'art antérieur ne sont pas totalement satisfaisantes car soit : elles utilisent des procédés de pyrolyse, prévoient une commande des paramètres uniquement pour un convertisseur catalytique ou bien nécessitent l'approvisionnement en biomasse homogène, ce qui peut s'avérer restrictif .

En effet, les procédés de pyrolyse ne permettent pas d'obtenir des composés ayant des caractéristiques satisfaisantes pour la production de "black pellets".

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 black pellets

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

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

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

Lorsque l'approvisionnement en biomasse présente des hétérogénéités, les solutions de l'art antérieur imposent de trier les approvisionnements à différents stades : sur le chantier de coupe ou de récolte, lors du chargement, sur le stockage bois ou biomasses, lors des stades de préparation (écorçage, épierrage, broyage). Il faudra alors regrouper et recréer des lots homogènes avec les refus ce qui entraîne des besoins en manutention, en stockage, en traçabilité, et n'empêche pas que des produits différents passent par ce crible.

Solution apportée par l'invention

Afin de pallier les inconvénients de l'art antérieur concernant la moindre disponibilité de la biomasse naturelle uniforme et homogène et l'inadéquation des installations connues pour le traitement de biomasse hétérogène, la présente invention concerne selon son acception la plus générale un procédé de production continu ou discontinu d'un biocombustible par vapocraquage de biomasse végétale ligno-cellulosique caractérisé en ce que :

On enregistre un modèle numérique des paramètres de vapocraquage optimaux en fonction de la typologie des constituants végétaux de la biomasse

On alimente le réacteur de vapocraquage avec de la biomasse hétérogène

On mesure au moins une fois pendant le traitement la typologie des constituants végétaux de la biomasse

On commande l'ajustement des paramètres du vapocraquage en fonction de la typologie des constituants végétaux de la biomasse mesurée et dudit modèle numérique. Par « typologie des constituants végétaux de la biomasse » , on entend au sens de l'invention la combinaison des différents constituants de la biomasse (lignine, cellulose...) ainsi que leurs proportions relatives qui définissent la nature de la biomasse. Chaque type de biomasse présent une typologie particulière de par ses constituants et est de plus définie par des indicateurs. Les indicateurs sont par exemple le niveau d'hétérogénéité de la biomasse ou sa nature.

Ainsi, dans le cadre de la présente invention, la biomasse traitée peut être constituée d'un mélange de différents types de biomasses présentant des indicateurs différents ; on parle alors de « biomasse hétérogène » ,

Selon un mode de réalisation avantageux, La biomasse ligno- cellulosique présente une humidité inférieure à 27%, et est directement soumise à un traitement de vapocraquage sans autre traitement thermique ou chimique préalable.

Selon des variantes : 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, taux de compression à l'entrée, taux de compression à la sortie de la décharge du réacteur avec le diamètre de l'orifice, débit d'alimentation, humidité, taille des particules.

- 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 la biomasse prélevée. - 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 la biomasse vapocraquée.

- 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 physicochimique sur ledit prélèvement pour caractériser la biomasse vapocraquée .

- ladite étape de mesure consiste à procéder à un prélèvement d'un échantillon de granulés et à appliquer une analyse physicochimique sur ledit prélèvement pour caractériser les granulés fabriqués avec la biomasse vapocraquée.

- 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 . on injecte lesdits résultats dans une blockchain.

on injecte dans un système d'apprentissage supervisé pour produire ledit modèle numérique.

ledit modèle est déterminé par une série de simulations chimiques .

L'invention concerne aussi une installation mettant en œuvre un tel 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 .

Vapocraquaqe de biomasse hétérogène

Le procédé de vapocraquage en continu ou en batch selon l'invention prévoit des méthodes pour contrôler et commander les conditions de vapocraquage permettent la modulation de la sévérité du traitement (temps et température de réaction) pour s'adapter à la matière première entrante et à son hétérogénéité dans le temps, à l'échelle des années, des saisons, des temps de stockage et au cours du procédé et bien sûr à la variation qualitative des biomasses entrantes. Il est basé sur le fait que la matière est modifiée chimiquement par une réaction thermique autour de 200°C, préférentiellement 205-210°C, qui correspond à l'énergie nécessaire d'activation permettant la dépolymérisation et à la volatilisation de composés oxygénés pauvres en énergie (notamment les constituants des hémicelluloses les plus thermolabiles) avec des temps de séjour aussi modulables, préférentiellement 6 à 8 minutes, et qui constituent un équilibre entre occupation du réacteur minimal (avantage économique) et rendement matière conservé (avantage technique), tout en augmentant le pouvoir calorifique du composé final, et en préservant l'intégrité des autres macromolécules comme la cellulose et la lignine, cette dernière étant essentielle pour assurer la cohésion du granulé final, et donc sa résistance à l'eau et à la manutention mécanique.

Malgré cette capacité élevée d'adaptation du procédé (la gamme de température peut aussi s'échelonner de 180 à 220 °C, la durée de 5 à 30 minutes) afin de produire un granulé à fort pouvoir calorifique, il se peut que malgré tout, la poudre vapocraquée présentent une hétérogénéité préjudiciable au procédé aval de granulation. Il faut alors aussi disposer de moyens pour gérer cette disparité.

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 se mesure par la densité et la granulométrie du produit. On atteint généralement des produits dont la majorité (>80%) est constituée de particules inférieures à 500 mpi, et quelques pourcents de particules restent supérieures au millimètre voire quelques millimètres. Or, pour des conditions analogues (température et temps de séjour essentiellement), une variation dans le produit se traduit par la présence de fractions moins bien explosées, présentant souvent une conservation des fibres longues ou plaquettes issues du broyage avant vapocraquage. Leur densité est aussi supérieure au produit principal .

Concernant les hétérogénéités de granulométrie post-vapocraquage et ante-granulation, la sortie « solide » du système de séparation entre poudre et vapeur (cyclone statique ou séparateur dynamique comme le Perivapor® de Valmet), un crible (tamis rotatif ou vibrant) ou une table densimétrique permet de séparer facilement la poudre conforme des grosses particules insuffisamment vapocraquée. Le refus est collecté puis transporté vers un stockage avant réintroduction dans le vapocraqueur avec la biomasse broyée.

Il s'agit donc de mettre en place après le vapocraquage sur un procédé de transfert de la poudre un crible granulométrique ou densimétrique sélectionnant les fractions moins bien explosées, suivi d'une séparation de ces fractions et retour vers l'alimentation du vapocraqueur en vue soit d'un retraitement immédiat si leur degré de désagrégation est suffisamment avancé (particules pas assez déstructurées mais déjà réduites en taille), soit d'un traitement différé avec des conditions de vapocraquage plus adaptées à leur résistance, ce qui revient à la capacité d'adapter les conditions de vapocraquage (sévérité) au substrat biomasse ou refus de crible. Description d'un exemple d'installation

La figure 1 représente une vue schématique d'une installation de vapocraquage de biomasse en discontinu mais le principe général est valable pour un procédé continu. 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 nature de la biomasse approvisionnée. 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.

Type de biomasse et indicateurs

Les types de biomasse comprennent :

Les différentes espèces de bois seules ou en mélange

Les différentes espèces de résidus agricoles, seules ou en mélange

Les différentes espèces de coproduits de l'agriculture et de l'agro-industrie, seules ou en mélange

La présence ou non d'écorces

La présence de bois de catégorie A, B ou C, seuls ou en mélange .

Un mélange de matériaux ligno-cellulosiques de tailles particulaires médianes variables.

Les indicateurs comprennent, de manière isolée ou en combinaison :

Le niveau d'hétérogénéité d'un mélange de biomasse par détermination de la variance d'une caractéristique physique ou chimique mesurée sur une série de prélèvements, par exemple la couleur, la densité, la taille médiane des éléments, la reconnaissance optique de caractéristiques des différents types de biomasse enregistrées, ...

La nature de la biomasse, notamment par une reconnaissance automatique ou par la saisie d'une information par un opérateur, par exemple l'espèce de bois, la maturité, la nature des tissus (écorce, cœur, branches, nœuds, souches,...)

La reconnaissance automatique peut être réalisée par imagerie, par un « nez électronique » ou encore par toute mesure physicochimique permettant de distinguer les types de biomasse.

Facteur de sévérité et réglage de l'installation.

Les réglages pour le traitement d'une biomasse hétérogène prennent en compte les conditions de vapocraquage optimale, dans le réacteur (200).

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 la typologie d'une biomasse hétérogène vapocraquée.

A cet effet, on élabore un modèle numérique des réglages adaptés à type de biomasse et à chaque combinaison de type de biomasse, pour disposer d'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 hétérogènes, avec des réglages différents, pour retenir les réglages correspondant à l'optimisation du vapocraquage de la biomasse identifiées en fonction de la qualité des 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 types de biomasses susceptibles d'être approvisionnés.

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

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