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Title:
STEAM CRACKING PROCESS COMPRISING A SEPARATION STEP AND DIFFERENTIAL TREATMENT OF THE OBTAINED PARTICLES ACCORDING TO A THRESHOLD VALUE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/260799
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to the field of solid biofuels obtained by steam cracking. More particularly, the invention relates to a process for the treatment of lignocellulosic biomass by steam cracking in which the obtained powder is treated in order to separate the particles into two categories according to a threshold value, and each category is treated differently.

Inventors:
DESPRES JEAN-LUC (FR)
HABAS THOMAS (FR)
QUINTERO-MARQUEZ ADRIANA (FR)
MARTEL FRÉDÉRIC (FR)
Application Number:
FR2020/051045
Publication Date:
December 30, 2020
Filing Date:
June 17, 2020
Export Citation:
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Assignee:
EUROPEENNE DE BIOMASSE (FR)
International Classes:
C10L5/44; B09B3/00; C10B53/02; C10L9/08; D21C3/02
Foreign References:
CN102949969A2013-03-06
US20120260563A12012-10-18
US20130341569A12013-12-26
CN102949969A2013-03-06
US20120260563A12012-10-18
US20140298716A12014-10-09
US20160251611A12016-09-01
Attorney, Agent or Firm:
BREESE, Pierre (FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Procédé de vapocraquage d'une biomasse ligno-cellulosique caractérisé en ce qu'il comporte :

- une étape de vapocraquage d'une biomasse ligno-cellulosique

- une étape de criblage des produits pulvérulents obtenus à l'issue de l'étape de vapocraquage pour séparer les particules supérieures à une valeur seuil et les particules inférieures à ladite valeur seuil, et

- une étape de traitement différencié des particules de la première catégorie et des particules de la deuxième catégorie.

2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel ladite valeur seuil est choisie parmi la masse, la dimension, la section, la densité des particules, le comportement aéraulique desdites particules.

3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel l'une desdites catégories de particules est granulée tandis que l'autre est éliminée.

4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel ladite catégorie de particules éliminée est collectée et recyclée via une réintroduction immédiate ou différée, ou une valorisation dans d'autres procédés.

5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel lesdites particules éliminées sont supérieures à la valeur-seuil et sont valorisées dans une combustion locale ou intégrées dans des biomatériaux.

6. Procédé selon la revendication 4 dans lequel lesdites particules éliminées sont inférieures à la valeur-seuil et sont valorisées dans des procédés de biotechnologie ou de chimie verte.

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite biomasse est hétérogène.

8. Installation de vapocraquage caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une unité de vapocraquage, et un séparateur des particules en deux catégories en fonction d'une valeur- seuil et un moyen de transport différentiel des particules ainsi séparées.

Description:
PROCEDE DE VAPOCRAQUAGE COMPRENANT UNE ETAPE DE SEPARATION ET TRAITEMENT DIFFERENTIEL DES PARTICULES OBTENUES EN FONCTION D'UNE VALEUR SEUIL

La présente invention a trait au domaine des biocombustibles solides obtenus par vapocraquage. Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé de traitement par vapocraquage de biomasse ligno-cellulosique dans lequel la poudre obtenue est traitée afin de séparer les particules en deux catégories en fonction d'une valeur seuil, chaque catégorie étant traitée différemment.

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. A l'exception de la biomasse, l'hydraulique de rivière ou de barrage, et la géothermie, ces énergies renouvelables sont intermittentes sauf si les moyens de stockage de l'énergie se développaient. Et 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. 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 CO 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 s'agit donc de s'assurer que le procédé de vapocraquage est en mesure d'assurer un produit constant, à savoir une poudre sortante stable en qualité et en capacité d'être transformée ou utilisée en aval du procédé pour l'application désirée. Cette poudre présente un pouvoir calorifique et une composition apte à être utilisée en combustion, et une capacité à être granulée.

Aujourd'hui, la meilleure solution pour garantir le meilleur résultat du vapocraquage est de faire un approvisionnement régulier et maîtrisé d'une même qualité de biomasse. Or, dans une optique d'augmentation des volumes de traitement de biomasse aux fins de production de biocombustibles solides, il apparaît intéressant d'être en mesure de traiter également une biomasse hétérogène. Les paramètres du procédé de vapocraquage 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 =Jt 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°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)

Le problème rencontré lorsque l'on traite une biomasse hétérogène est que la poudre obtenue est elle-même hétérogène entraînant des problèmes de granulation. En effet, en fonction de la nature de la biomasse initiale et des conditions appliquées, le vapocraquage n'aura pas le même effet en termes de déstructuration de la matière. Ainsi, lorsque la matière en entrée est hétérogène, les conditions de sévérité doivent être ajustées de sorte à ne pas déstructurer totalement les matières les moins résistantes, ce qui serait néfaste pour la granulation. Lorsque les conditions de sévérité sont adaptées en fonction de la biomasse moins résistante, le vapocraquage génère des particules résiduelles issues des biomasses plus résistantes, qui elles aussi perturbent le procédé de granulation.

Le non-respect de la qualité finale et du cahier des charges de granulation peut être rédhibitoire, que ce soit par un traitement laissant de grosses particules ou un traitement trop drastique dégradant le produit et son comportement à la granulation.

Il existe donc un besoin de disposer d'un procédé de vapocraquage adapté au traitement d'une biomasse hétérogène pour la fabrication de granulés noirs de qualité contrôlée.

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.

Il faut également différencier les procédés de torréfaction qui se caractérisent par un traitement thermochimique compris entre 100 et 300°C permettant de modifier une partie de la matière organique pour casser les fibres tout en éliminant l'eau.

Etat de la technique

Le brevet chinois CN102 949 969A divulgue un système de pyrolyse de matériau carboné solide ou ayant une viscosité élevée avec un mélangeur de duvet et un réchauffeur de caloporteur catalytique, et un procédé d'utilisation du système de réacteur. Ce procédé comprend en outre un séparateur solide-solide ou solide-liquide pour permettra la séparation des produit solide ou liquide pyrolysée du caloporteur catalytique épuisé.

Le brevet américain US2012/260563A1 décrit un procédé de transformation thermochimique de la biomasse par hydro-pyrolyse (réaction de liquide de conventionnel de pyrolyse avec de l'hydrogène et présence de catalyseurs solide) afin d'obtenir des produits liquides. Ce procédé comprend notamment des dispositifs de séparation inertielle.

Le brevet US2014/298716A1 concerne un procédé de séchage et de torréfaction de la biomasse lignocellulosique. L'installation de séchage et de torréfaction comprend deux circuits. Le second circuit comprend un séparateur à cyclone qui permet d'éliminer toutes les particules volatiles de grande taille.

Enfin, le brevet US2016/251611A1 divulgue un procédé de croissance d'un organisme microbien, comprenant la culture de l'organisme microbien en présence d'une composition hydrolysée obtenue à partir d'une charge ligno-cellulosique ayant subie une étape d'explosion à la vapeur. La biomasse ligno-cellulosique traitée, comprend en outre, une étape de séparation des fibres en fonction d'une valeur seuil, telle que la taille des fibres.

Inconvénients de l'art antérieur

Les solutions de l'art antérieur ne sont pas totalement satisfaisantes car elles emploient des techniques ou utilisent un produit non-pulvérulent. En effet, il s'agit de techniques de :

- pyrolyse conduisant à l'obtention de composés différents de ceux obtenu par vapocraquage

- torréfaction, qui est une technologie présentant un rendement acceptable (10% à 20% de perte), mais le prix reste prohibitif, et la technologie n'est pas mature. Exposé de l'invention

Pour répondre à ce besoin, les inventeurs ont mis au point un procédé de vapocraquage avec un facteur de sévérité donné caractérisé en ce qu'il comporte une étape de traitement des produits pulvérulents pour séparer les particules supérieures à une valeur seuil et les particules inférieures à ladite valeur seuil, et de traitement différencié des particules de la première catégorie et des particules de la deuxième catégorie.

Ce procédé permet d'une part de granuler une poudre homogène débarrassée des particules résistantes et d'autre part de traiter les refus de matière mal dégradée par un retour dans l'enceinte de vapocraquage ou un autre traitement différé.

L'invention concerne aussi une installation de vapocraquage pour mise en œuvre de ce procédé comportant un séparateur des particules.

Avantages de l'invention

L'invention consiste donc à mettre en place un crible pour séparer les particules résistantes mal dégradées de la poudre apte à être granulée ou la poudre de granulométrie trop fine de la poudre apte à être granulée.

Le principal avantage de ce procédé est qu'il permet de produire des granulés noirs de qualité à partir de n'importe quel type de biomasse et en particulier de biomasse hétérogène. En effet, éliminer les particules mal dégradées de la poudre à granuler améliore la qualité des granulés qui sont alors plus cohésifs, plus hydrophobes, plus énergétiques.

Ce procédé permet donc de répondre à la fois au cahier des charges du procédé global de granulation et au cahier des charges du produit final en termes de qualité et de constance de qualité.

Ce procédé permet de récupérer les particules mal dégradées et de les valoriser. Il peut s'agir de les soumettre une seconde fois à un traitement parvapocraquage ou à les utiliser à d'autres fins.

Il est aussi possible d'éliminer par le crible les poudres les plus fines qui se granulent mal et de ne conserver que les poudres aptes à se colmater en vue de la production de granulés. On peut par exemple envisager d'utiliser les poudres les plus fines dans des procédés de biotransformation. On notera que si l'augmentation de la sévérité du traitement pourrait venir à bout des particules restées grossières, cela aurait pour conséquence de dégrader les particules de bois plus labiles, et augmenter aussi la perte matière par dégradation trop poussée des molécules sous forme polymériques en composés volatils (par exemple les hémicelluloses les plus sensibles à la température et au temps de séjour). Il y a donc un avantage à recycler en tête de procédé les refus de crible post-vapocraquage de la poudre plutôt que d'augmenter la sévérité, voire à les soumettre isolément ou par campagne de regroupement à des conditions de sévérité plus adaptées.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Un premier objet de l'invention concerne un procédé de vapocraquage d'une biomasse ligno- cellulosique caractérisé en ce qu'il comporte une étape de traitement des produits pulvérulents pour séparer les particules supérieures à une valeur seuil et les particules inférieures à ladite valeur seuil, et de traitement différencié des particules de la première catégorie et des particules de la deuxième catégorie.

Un tel procédé comprend les étapes suivantes :

Vapocraquage d'une biomasse ligno-cellulosique

Criblage des produits pulvérulents obtenu par vapocraquage pour séparer les particules supérieures à une valeur seuil (dite « première catégorie ») et les particules inférieures à ladite valeur seuil (dites « deuxième catégorie »)

Traitement différencié des particules de la première catégorie et des particules de la deuxième catégorie.

Le facteur de sévérité appliqué lors de l'étape de vapocraquage sera déterminé en fonction de la biomasse à traiter. Il est déterminé à partir de la valeur du LoglO de l'ordonné de la réaction.

Sévérité = loglO (RO)

Il s'agit d'une caractéristique inhérente au procédé de vapocraquage, que l'homme du métier sait mesurer et adapter. Typiquement, le facteur de sévérité sera compris entre 4,0 et 4,02, et plus précisément entre 4,05 et 4,15

Ce procédé met en œuvre un criblage visant à séparer les particules de vapocraquage en deux catégories en vue d'un traitement différencié. La valeur seuil peut être par exemple la masse, la dimension, la section ou la densité des particules mais également leur comportement aéraulique ou tout autre critère permettant de séparer des particules trop fines ou trop grosses, trop denses... vis-à-vis d'une valeur seuil.

Dans un mode de réalisation préféré, l'une des deux catégories de particules est granulée pour la préparation de granulés noirs.

Dans un mode de réalisation particulier, les particules à granuler correspondent à la catégorie de particules inférieures à la valeur-seuil. Il s'agit d'éliminer les particules les plus grosses et/ou les plus denses et/ ou les plus résistantes.

Dans un mode de réalisation alternatif, les particules à granuler correspondent à la catégorie de particules supérieures à la valeur-seuil. Il s'agit d'éliminer les particules trop fines qui ne sont pas aptes à être granulées.

Parmi les autres qualités attendues comme la résistance à l'eau, la tenue mécanique et le fort pouvoir calorifique, de manière générale, les granulés noirs peuvent être qualifiés par une constitution majoritaire (> 80%) de particules de taille inférieure à 500 pm, et quelques pourcents de particules supérieures au millimètre voire quelques millimètres.

La résistance à l'eau des granulés peut être évaluée par trempage, à savoir le produit doit prendre peu d'eau pendant le trempage et les qualités du produit, comme sa tenue mécanique, ne doivent pas être altérées après trempage.

La tenue mécanique des granulés est associée à une résistance aux chocs et une durabilité mécanique.

Le pouvoir calorifique des granulés doit être augmenté par rapport à celui de la biomasse initiale.

Le facteur de sévérité de l'étape de vapocraquage est fixé selon la nature de la biomasse et le type de poudre que l'on souhaite recueillir.

Les particules qui sont éliminées subissent un traitement différent de la granulation et sont collectées et recyclées par exemple via une réintroduction dans l'enceinte de vapocraquage, immédiatement après séparation ou de manière différée, ou une valorisation dans d'autres procédés.

Les différentes possibilités de traitement des particules éliminées sont autant de modes de réalisation particuliers de l'invention.

Dans un mode de réalisation particulier, les particules supérieures à la valeur-seuil (résistantes, trop grosses et/ou trop denses par exemple) sont réintroduites directement dans l'enceinte de vapocraquage pour être à nouveau traitées au sein du procédé en continu. Dans un autre mode de réalisation particulier, les particules supérieures ou inférieures à la valeur-seuil sont collectées pour être recyclées différemment. Elles peuvent être réintroduites ultérieurement dans l'enceinte de vapocraquage à des conditions de sévérité différentes, ou être valorisées dans d'autres procédés. Les particules trop fines pour être granulées peuvent par exemple être utilisées en tant que substrat pour des réactions de biotransformations telles que les procédés biotechnologiques et la chimie verte... Les particules trop grosses peuvent être valorisées par une combustion locale dans une chaudière ou être intégrées dans des biomatériaux.

Ce procédé permet donc de traiter une biomasse hétérogène et de valoriser l'ensemble de cette biomasse.

Cette biomasse hétérogène peut consister en un mélange de bois jeunes et de bois vieux, un mélange de bois provenant d'espèces différentes, des bois de déchets...

Un deuxième objet de l'invention concerne une installation de vapocraquage comportant au moins une unité de vapocraquage et un séparateur des particules en deux catégories en fonction d'une valeur-seuil et un moyen de transport des particules ainsi séparées.

L'installation de vapocraquage est une installation classique pour ce qui est des éléments allant jusqu'au collecteur de poudre situé en sortie de l'enceinte de vapocraquage. Le séparateur de particules peut être de tout type et dépend du critère choisi pour le crible. Le moyen de crible peut donc être une séparation par sélection de taille comme un tamis rotatif, une table vibrante perforée ou inclinée, une séparation densimétrique dynamique comme un crible balistique, ou un effet centrifuge.

Le moyen de transport différentiel des particules permet le transport de la poudre de refus vers un lieu de traitement immédiat ou un lieu de stockage pour un traitement différé. Un tel moyen de transport peut être un tapis, une goulotte, une vis, un transporteur à chaîne, un système pneumatique...

L'installation peut en outre comporter des équipements associés au traitement de ce refus en aval.