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Title:
METHOD FOR PRODUCING COMBUSTIBLE PELLETS BY IMPROVED STEAM CRACKING USING HETEROGENEOUS BIOMASS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/209725
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to the production of steam-cracked biomass in the form of black pellets in the field of solid biofuels. More particularly, the invention relates to the production of black pellets from a heterogeneous biomass. The aim of the invention is to produce black pellets having good mechanical strength, good water resistance and an increased calorific value.

Inventors:
QUINTERO-MARQUEZ ADRIANA (FR)
DESPRES JEAN-LUC (FR)
MARTEL FRÉDÉRIC (FR)
Application Number:
PCT/FR2021/050672
Publication Date:
October 21, 2021
Filing Date:
April 16, 2021
Export Citation:
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Assignee:
EUROPEENNE DE BIOMASSE (FR)
International Classes:
C10B53/02; B09B3/00; C10L5/44; C10L9/08; D21C3/02
Domestic Patent References:
WO2013191897A12013-12-27
WO2019054913A12019-03-21
WO2020225504A22020-11-12
WO2013191897A12013-12-27
WO2019054913A12019-03-21
WO2020225504A22020-11-12
Foreign References:
US20170298150A12017-10-19
FR2955118A12011-07-15
Attorney, Agent or Firm:
BREESE, Pierre (FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Procédé de production de granulés noirs combustibles par vapocraquage en continu de biomasse à un taux d'humidité compris entre 5 et 27 % caractérisé en ce que l'étape de granulation est effectuée sur une biomasse vapocraquée comportant d'une part au moins 50% de composés pulvérulents de section inférieure à 0,5 millimètres, et d'autre part au moins 10% de composés fibreux présentant une longueur supérieure à 1 millimètre, sans ajouter d'additifs.

2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel ladite biomasse vapocraquée est hétérogène du fait qu'elle provient d'espèces végétales différentes.

3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel le vapocraquage des différentes d'espèces végétales est réalisé en une seule étape.

4. Procédé selon la revendication 1 dans lequel ladite biomasse vapocraquée est hétérogène du fait qu'elle provient de plusieurs vapocraquages d'une même biomasse initiale dans des conditions de sévérité différentes, et mélange avant granulation.

5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel lesdits plusieurs vapocraquages sont réalisés en parallèle.

6. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la granulométrie de la biomasse vapocraquée est analysée avant granulation.

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant en outre une étape d'ajout de lignine issue de biomasse vapocraquée avant granulation.

8. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5 dans lequel les différentes poudres constituant la biomasse hétérogène sont pré-granulées séparément puis mélangées avant granulation.

9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la granulométrie de la biomasse broyée avant vapocraquage est hétérogène.

Description:
DESCRIPTION

TITRE : PROCEDE DE PRODUCTION DE GRANULES COMBUSTIBLES PAR VAPOCRAQUAGE AMELIORE PAR UTILISATION DE BIOMASSE HETEROGENE

L'invention a trait à la production de biomasse vapocraquée sous forme de granulés noirs (black pellet) dans le domaine des biocombustibles solides. Plus particulièrement, elle concerne la production de granulés noirs à partir d'une biomasse hétérogène. L'objectif est de produire des granulés noirs présentant une bonne tenue mécanique, une bonne résistance à l'eau ainsi qu'un pouvoir calorifique accru.

Domaine de l'invention

La production d'énergie (électrique et thermique) d'origine renouvelable peut se faire à partir de l'environnement (soleil, vent, marée, houle, géothermie, hydraulique) ou à partir de biomasse. L'hydraulique de rivière ou de barrage, et la géothermie sont des énergies renouvelables aujourd'hui intermittentes, et le resteront tant que des moyens de stockage de l'énergie ne sont développés. Seule la biomasse constitue une énergie primaire transportable sur son lieu de transformation en chaleur et/ou électricité. Mais la biomasse est en fait une énergie peu dense, variable et périssable.

Il existe plusieurs moyens de densifier et stabiliser la biomasse ligno-cellulosique, notamment la carbonisation, la torréfaction et le vapocraquage. La première, qui permet de fabriquer du charbon de bois, implique un prix de la matière élevé du fait de perte importante de rendement (de l'ordre de 70 à 80%), et est réservée à des usages à haut prix " de vente tels que l'usage domestique dans un barbecue. La torréfaction est une technologie présentant un rendement acceptable (10% à 20% de perte), mais le prix reste prohibitif, et la technologie n'est pas mature. A ce jour, seul le vapocraquage semble viable techniquement, et économiquement à condition de contenir les coûts de production. Cette technologie permet de fabriquer des « granulés noirs » (ou « black pellets »). Il est à noter que le vapocraquage n'est pas assimilable à des techniques de prétraitement hydrothermique ou de pyrolyse.

Le prétraitement hydrothermique, aussi appelée fractionnement aqueux, solvolyse, hydrothermolyse ou traitement hydrothermique, consiste à l'utilisation d'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.

La transformation de biomasse ligno-cellulosique (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 C0 2 fossile, avec une biomasse sans fertilisants, ni phytosanitaires). Le traitement thermique de la biomasse par vapocraquage permet cette densification de l'énergie, en homogénéisant la biomasse en une poudre vapocraquée selon des conditions paramétriques précises, notamment de granulométrie, température et temps de séjour. La poudre est ensuite granulée pour faciliter son transport, son stockage et son usage.

Il est important de s'assurer que le procédé de granulation est en mesure d'assurer un produit constant et de qualité, présentant un pouvoir calorifique élevé et un comportement mécanique approprié pour être stocké, transporté et utilisé en chaudière, avec les meilleures caractéristiques de résistance mécanique et à l'eau, de réduction de formation de poussières (fines) à la manutention, de siccité pour assurer un bon pouvoir calorifique et une bonne combustion, et une stabilité dans le temps et au stockage (pas d'auto-échauffement de fermentation, de dégagement gazeux etc...).

La granulation par passage de la poudre vapocraquée en presse à granuler permet de former des granulés denses et résistants. Classiquement sur le granulé blanc, la sciure de résineux affinée (75% entre 0,36 et 1 mm, et 50% inférieure à 0,5mm) et compressée produit des granulés entre 6, 8 et 10 mm de diamètre, 2 à 5 cm de longueur, d'une densité apparente de 600 à 650 g/L, avec une résistance mécanique (durabilité) de 97,5% et un PCI/brut de 4,9 kWh/kg pour moins de 8% d'humidité (entre 5 et 8% usuellement). Il n'a cependant aucune résistance à l'eau (il se délite entièrement dans l'eau en moins de 5 minutes). Le granulé noir de feuillus présente une densité apparente de 650 à 750 g/L, avec une résistance mécanique (durabilité) de 98,5% et un PCI/brut >5,0 kWh/kg pour moins de 10% d'humidité (égale ou très proche de 10% usuellement). Il a une résistance à l'immersion qui lui permet de capter de manière réversible moins de 10% de son poids en eau sans modification notable de sa durabilité après séchage.

Toutefois, lorsque l'on granule une poudre vapocraquée dans laquelle les fibres sont trop courtes, cela conduit à une moins bonne durabilité, à la présence d'écailles sur le granulé, à une plus faible densité apparente, et à plus de fines produites, notamment lors des manutentions.

Si les conditions de sévérité peuvent être adaptées pour moduler le vapocraquage en vue d'améliorer la granulation des granulés noirs, elles permettent de fabriquer des fibres plus longues, mais au détriment de l'augmentation du pouvoir calorifique attendu et des autres propriétés comme la résistance à l'eau ou la tenue mécanique, la baisse de cohésion due à la lignine qui migre moins à plus basse sévérité. Cette approche n'est donc pas satisfaisante à elle seule.

Il existe donc un besoin de contrôler le procédé de granulation par de nouveaux moyens pour améliorer la qualité de granulation des granulés noirs.

Art antérieur

Le brevet WO2013/191897 décrit une installation et un procédé dédiés au traitement de la biomasse en utilisant des méthodes d'explosion à la vapeur en tant que prétraitement avant la gazéification ou la combustion. Les valeurs d'humidité de la biomasse entrante laissée à l'extérieur sans séchage supplémentaire sont comprises entre 15% à 60%. Le procédé utilise une étape d'explosion à la vapeur dans lequel : la biomasse est introduite dans une unité d'explosion à la vapeur, de la vapeur à basse pression est introduite puis, de la vapeur à au moins 10 fois la pression atmosphérique est finalement introduite pour chauffer et mettre sous pression la biomasse avant une dépressurisation rapide. Les fines particules humides de biomasse produites sont ensuite acheminées vers une section d'alimentation du gazéificateur de biomasse, qui réagit avec les particules de biomasse dans une réaction de gazéification rapide de la biomasse pour produire des composants de gaz de synthèse. Le produit obtenu par ce procédé est un gaz de synthèse.

Le brevet WO2019/054913A1 concerne un procédé de production de pâte de bois permettant la production de granulés ou briquettes de combustible à partir de bois. Le procédé comprend l'écorçage de grumes d'arbres qui sont ensuite réduits sous forme de copeaux de bois. Une part de ces copeaux est utilisée pour former une pâte, tandis qu'une autre subit une étape de vapocraquage. L'écorce traitée thermiquement est déchargée du réacteur par une soupape de soufflage réglable ou un orifice de décharge de diamètre constant pour réaliser une décharge par explosion de vapeur de ladite écorce. Après l'étape d'explosion à la vapeur, les copeaux obtenus sont granulés avec la lignine récupérée lors de l'étape de production de pâte de bois.

Le brevet W02020/225504 concerne un substrat carboné pulvérulent de réaction chimique ou biochimique obtenu par vapocraquage en continu d'une biomasse ligno-cellulosique à un taux d'humidité compris entre 5% et 27% sans auxiliaire chimique en appliquant un facteur de sévérité compris entre 3 et 5. Le substrat carboné peut se présenter sous la forme de granulette faiblement densifiée. Cette forme peut être adoptée lors du conditionnement du produit afin d'en faciliter la manipulation mais ses caractéristiques sont celles d'une poudre dès lors que le substrat est imprégné d'une solution (enzymatique, acide...).

Exposé de l'invention

Les inventeurs ont montré, de manière inattendue, que la qualité des granulés noirs est améliorée lorsque ces derniers sont produits à partir d'une biomasse vapocraquée de granulométrie hétérogène. De manière plus générale, ils ont montré qu'une bonne granulation pouvait être obtenue en mélangeant des poudres vapocraquées issues de différentes biomasses. Par exemple, les poudres issues de feuillus tendres comme le peuplier, ou certains feuillus comme le frêne, délivrent des poudres très fibreuses qui peuvent avantageusement être mélangées à une poudre de chêne qui comprend de l'ordre de 80% de fines.

De plus, ils ont mis en évidence que la poudre vapocraquée issue de biomasse grossièrement broyée (de l'ordre d'une taille moyenne de 30 mm à 40 mm au lieu de 10 à 20 mm) permettait d'obtenir une poudre présentant un pouvoir calorifique (PCI) plus satisfaisant grâce à la présence de fibres résiduelles en quantité suffisante (de l'ordre de 20%) capable de s'agglomérer et d'assurer une bonne granulation avec la poudre et les fines cotonneuses co existant de sorte à obtenir un granulé noir ayant les spécifications requises.

Sur la base de ces observations, les inventeurs ont ainsi établi que pour obtenir un granulé noir de qualité, il est important d'utiliser une biomasse vapocraquée hétérogène présentant à la fois des fibres (de l'ordre de 20% supérieures à 1 mm), mais aussi des fines sous formes de poudres ou de fibres très fines cotonneuses (inférieures à 0,5 mm).

Ainsi, l'invention concerne un procédé de production de granulés noirs combustibles par vapocraquage en continu de biomasse à un taux d'humidité comprise entre 5 et 27 % caractérisé en ce que l'étape de granulation est effectuée sur une biomasse vapocraquée non lavée comportant d'une part au moins 50% de composés pulvérulents de section inférieure à 0,5 millimètres et d'autre part au moins 10% de des composés fibreux présentant une longueur supérieure à 1 millimètre, lesdits composés pulvérulents et fibreux étant liés par l'hémicellulose et la lignine présentes dans ladite biomasse, sans additifs.

Avantages de l'invention

Le procédé selon l'invention a pour avantage d'assurer la production de granulés noirs de bonne qualité de manière constante : une bonne tenue mécanique, une bonne résistance à l'eau ainsi qu'un pouvoir calorifique accru. De plus, l'utilisation d'une biomasse vapocraquée hétérogène permet de produire des granulés de qualité sans ajouter d'additif, dans lesquels la lignine vapocraquée sert de liant. Les additifs sont coûteux et généralement non souhaités du fait de leur toxicité ; s'en affranchir est donc avantageux d'un point de vue économique et écologique.

L'hétérogénéité des poudres peut être obtenue de différentes manières : en utilisant une biomasse en entrée dont le broyage conduit à de particules de type plaquettes de taille hétérogène, en utilisant une biomasse hétérogène en entrée constituée par un mélange d'espèces végétales différentes, en modulant les conditions de sévérité lors du vapocraquage, en mélangeant des biomasses obtenues à partird'une même biomasse en entrée mais traitée dans des conditions de sévérité différentes lors du vapocraquage en mélangeant différentes biomasses vapocraquées obtenues à partir d'espèces végétales différentes.

Il est ainsi proposé un procédé permettant une meilleure gestion de la biomasse : la taille des particules de poudre peut être mesurée après vapocraquage pour préparer un mélange hétérogène approprié en vue d'une granulation de qualité.

Description détaillée de l'invention

L'invention a pour objet un procédé de production de granulés combustibles par vapocraquage en continu de biomasse à un taux d'humidité compris entre 5 et 27 % caractérisé en ce que l'étape de granulation est effectuée sur une biomasse vapocraquée comportant d'une part au moins 50% de composés pulvérulents de section inférieure à 0,5 millimètres, et d'autre part au moins 10% de composés fibreux présentant une longueur supérieure à 1 millimètre, sans ajouter d'additifs. Dans ce procédé, les additifs ne sont pas nécessaires car les composés pulvérulents et fibreux du bois, notamment la lignine et l'hémicellulose, sont liés dans les granulés suite aux modifications chimiques et physiques induites par le vapocraquage.

Par « additifs » au sens de l'invention, on entend les composés commerciaux introduits entre 0,5% et 10% du poids comme certains composés de type amidon, farine, autres substances végétales ou pétrochimiques assurant du liant.

Par « biomasse » au sens de l'invention, on entend la biomasse ligno-cellulosique provenant aussi bien de résidus agricoles et forestiers, de sous-produits de transformation du bois que de cultures dédiées. Il peut s'agir en particulier de plaquettes de bois, avec ou sans écorces. La qualité de cette matière première influencera directement la qualité et les caractéristiques énergétiques de la matière combustible solide. A titre d'exemple, les bois les plus utilisés sont les feuillus et les résineux.

Dans un mode de réalisation préféré, le taux d'humidité est compris entre 7% et 20% et de manière encore plus préférée est compris entre 8 et 14%.

Dans un autre mode de réalisation préféré, les composés pulvérulents de section inférieure à 0,5 millimètres représentent au moins 75%, de la biomasse vapocraquée.

Dans un autre mode de réalisation préféré, les composés fibreux présentant une longueur supérieure à 1 millimètre représentent au moins 20%, de la biomasse vapocraquée.

La biomasse comprend en plus des composés pulvérulents et des composés fibreux, des composés cotonneux.

Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, la biomasse vapocraquée est hétérogène du fait qu'elle provient d'espèces végétales différentes.

La composition de la biomasse lignocellulosique varie selon les espèces végétales en ces constituants majeurs que sont la cellulose, l'hémicellulose et la lignine. C'est pourquoi les poudres obtenues par vapocraquage à partir des différentes espèces ne sont pas de qualité équivalente.

Dans un mode de réalisation préféré, le vapocraquage des différentes d'espèces végétales est réalisé en une seule étape.

Dans un autre mode de réalisation particulier, la biomasse vapocraquée est hétérogène du fait qu'elle provient de plusieurs vapocraquages d'une même biomasse initiale à des conditions de sévérité différentes, les poudres obtenues étant mélangées avant granulation.

Les différents vapocraquages d'une même biomasse initiale à des conditions de sévérité différentes peuvent être réalisés à des moments différents ou en parallèle. Dans un mode de réalisation préféré, ils sont réalisés simultanément dans des réacteurs continus disposés en parallèle.

Pour mettre en œuvre le procédé selon l'invention, la granulométrie des poudres de biomasse vapocraquée doit être connue. Pour ce faire, la granulométrie de ces poudres peut être mesurée avant granulation. Cette mesure peut être faite par tout moyen connu de l'homme du métier et de préférence par un moyen pouvant être intégré dans la chaîne de production, comme une mesure par diffusion optique (laser), voire une mesure par des systèmes de tamis. Le résultat de cette analyse permet, le cas échéant, un apport de poudre externe de sorte à respecter les proportions de taille préconisées pour une granulation de qualité.

Ainsi, dans un mode de réalisation particulier, le procédé comprend une étape dans laquelle la granulométrie de la biomasse vapocraquée est analysée avant granulation.

La densité de la poudre vapocraquée est également un indicateur de son hétérogénéité et donc de sa granulabilité.

Dans un mode de réalisation particulier, le procédé comprend en outre une étape d'ajout de lignine provenant d'une biomasse vapocraquée avant granulation. Le procédé peut également comprendre une étape dans laquelle les différentes poudres constituant la biomasse hétérogène sont pré-granulées séparément puis mélangées avant granulation. La pré-granulation des poudres facilite leur manipulation et leur transport. La granulométrie de la biomasse après vapocraquage est aussi influencée par la granulométrie de la biomasse avant vapocraquage, c'est-à-dire par la taille de plaquettes ou autre forme de la biomasse initiale. Ce paramètre peut être facilement modulé en adaptant les grilles de broyage. Ainsi, le procédé peut comprendre une étape dans laquelle la granulométrie de la biomasse broyée avant vapocraquage est hétérogène.

Cette invention trouve son application chez les industriels qui cherchent à optimiser la production de biocombustibles en standardisant le produit final selon un approvisionnement variable qui devient souhaitable au lieu d'être subi ; l'intérêt est aussi de pouvoir arbitrer grâce à un mélange aux variations de disponibilités et de prix des biomasses, dans l'intérêt du produit granulé final.