FR3095656A1 - Procédé de traitement de biomasse solide par vapocraquage intégrant l’énergie des coproduits - Google Patents

Procédé de traitement de biomasse solide par vapocraquage intégrant l’énergie des coproduits Download PDF

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Abstract

La présente invention a trait au domaine des procédés de transformation de la biomasse solide par vapocraquage en substrat pour la chimie verte et les biotechnologies. Plus précisément, l’invention concerne un procédé de traitement de biomasse solide par vapocraquage dans lequel l’énergie contenue dans les évaporats et dans la vapeur d’eau générés est conservée au sein du système ou utilisée pour d’autre types d’industries tels que la production d’électricité.

Description

Procédé de traitement de biomasse solide par vapocraquage intégrant l’énergie des coproduits
La présente invention a trait au domaine des procédés de transformation de la biomasse solide par vapocraquage en substrat pour la chimie verte et les biotechnologies. Plus précisément, l’invention concerne un procédé de traitement de biomasse solide par vapocraquage dans lequel l’énergie contenue dans les évaporats et dans la vapeur d’eau générés est conservée au sein du système ou utilisée pour d’autre types d’industries tels que la production d’électricité.
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 à ce jour des énergies renouvelables intermittentes, faute de moyens de stockage de l’énergie. Dans ce contexte, seule la biomasse constitue une énergie primaire transportable sur son lieu de transformation en chaleur et/ou électricité. Toutefois, la biomasse est une énergie peu dense, variable et périssable.
En effet, une manière d’exploiter la biomasse consiste à utiliser des plaquettes forestières, des produits connexes de scierie (sciure) ou des granulés de bois sans modification. Ces matières renouvelables sont très peu denses (il faut 5 à 8 volumes de plaquettes pour produire l’équivalent d’énergie d’un seul volume de charbon), ce qui implique une chaîne logistique et des outils surdimensionnés, sans parler de la variabilité des contenus des approvisionnements qui impacte le fonctionnement de la chaudière (humidité, cendres, métaux lourds, organiques, azote, chlore, soufre, poussières). Le granulé de bois (ou « white pellet ») est plus normalisé, mais il est cher, et ne résiste pas à l’exposition à l’eau et aux conditions extérieures. Enfin, la production de biogaz nécessite la gestion d’effluents liquides dilués, ou de solides humides peu transportables, et d’une utilisation localisée, souvent de taille réduite.
Pour contrevenir à ces problèmes, la biomasse ligno-cellulosique (bois, résidus agricoles, coproduits de l’agriculture et de l’agro-industrie) peut être transformée en un composé dense énergétiquement, transportable et facilement stockable qui permettrait 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 de CO2 fossile, avec une biomasse sans fertilisants, ni phytosanitaires). Ce biocombustible solide, aussi appelé « granulés noirs » (ou « black pellet ») peut avantageusement remplacer le charbon, voire le fioul et le gaz dans des chaudières.
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 le 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 »).
Le procédé de préparation de granulés noirs comprend schématiquement 3 étapes : 1) préparation de la matière première (broyage, séchage...), 2) vapocraquage et 3) granulation, toutes consommatrices d’énergie.
Dans le cas d’une usine fabriquant du black pellet de biomasse vapocraquée, il entre dans le vapocraqueur une biomasse séchée et de la vapeur propre d’eau chaude sous pression. Les deux flux sortant du vapocraquage sont :
• un flux solide de biomasse vapocraquée qui va être granulée, et
• un flux gazeux de vapeur de plus faible pression contenant des composés organiques volatils (COV), appelés évaporats, issus du traitement de la biomasse.
Un des problèmes associés à la combustion de biomasse par vapocraquage est la production de ces évaporats chargés en COV qui peuvent être toxiques pour l’environnement. Il est donc nécessaire de traiter les évaporats pour éliminer les COV avant de libérer une vapeur d’eau propre hors du système. Pour ce faire, il est habituel de brûler les évaporats de sorte à ce que les COV se décomposent en CO2et CO, molécules qui peuvent alors être libérées dans l’atmosphère sans danger pour l’environnement, sous forme de fumées blanches (vapeur d’eau).
Il est souhaitable de diminuer les coûts de production de granulés noirs pour permettre leur utilisation industrielle.
Des procédés de l’état de la technique font état de l’utilisation de l’énergie de coproduits dans des procédés de condensation de la biomasse. A titre d’exemple, le document US9447326 décrit un procédé de traitement de la biomasse par vapocraquage suivi d’une gazéification de la biomasse. Le gaz produit est traité par un séparateur à cyclone qui sépare gaz et vapeur d’eau, la vapeur d’eau étant réinjectée dans le produit final.
Les inventeurs proposent d’optimiser l’utilisation des coproduits du procédé de transformation pour réduire les coûts de production des granulés noirs. Plus précisément, il est proposé de brûler les évaporats dans une chaudière à biomasse générant de la vapeur comprimée servant au vapocraquage (recyclage), et pouvant aussi servir à un autre consommateur local (industriel utilisant de la vapeur, ou électricien turbinant la vapeur pour fabriquer de l’électricité).
Il est plus généralement proposé d’utiliser l’énergie associée aux évaporats et à la vapeur d’eau par combustion des composés organiques volatiles et condensation de la vapeur d’eau.
Les autres types de production de matière combustible à partir de biomasse nécessitent des chaleurs sèches (granulés blancs ou torréfaction) qui utilisent souvent du gaz fossile. Le bilan environnemental est donc dégradé pour ces deux derniers types de production de biocombustible solide. Ces procédés ne génèrent pas de vapeur d’eau.
Ainsi, l’invention consiste en un procédé de production de matière combustible solide intégrant l’énergie des coproduits comprenant une étape de vapocraquage de biomasse caractérisé en ce que :
• les composés organiques volatils produits dans l’enceinte de vapocraquage sont injectés, avec la vapeur de vapocraquage, directement dans la chaudière pour produire de la vapeur d’eau propre destinée au vapocraquage et éventuellement à un autre consommateur d’énergie local ;
• l’énergie pour la production de vapeur de vapocraquage est produite au moins en partie par la combustion desdits composés organiques volatils recyclés.
Le rendement de ce procédé peut être également être augmenté en condensant les vapeurs d’eau de combustion des évaporats pour sécher la biomasse avant vapocraquage.
De plus, il est possible d’écorcer le bois utilisé comme matière première, ou de récupérer des écorces à partir d’une source externe et de brûler ces écorces dans la chaudière.
Avantages de l’invention
Le procédé selon l’invention permet d’utiliser des sources d’énergie disponibles et habituellement non utilisées pour diminuer le bilan énergétique du procédé global et le rendre plus écologique. Ainsi, la réduction de rendement matière de la biomasse entrant dans le vapocraquage (généralement comprise entre 5% et 15%) n’est pas totalement perdue car elle génère de l’énergie.
Ce procédé comprend la récupération optimisée de l’énergie disponible au sein du dispositif de transformation de la biomasse par vapocraquage à savoir :
  • l’énergie contenue dans les COV des évaporats générés par vapocraquage ; cette énergie est libérée par combustion des composés organiques volatils ;
  • l’énergie contenue dans la vapeur d’eau accompagnant les évaporats (vapeur de vapocraquage), et récupérée par condensation ;
  • l’énergie contenue dans la vapeur d’eau fabriquée par la combustion des évaporats, et récupérée par condensation ;
  • et éventuellement, de la même manière, l’énergie contenue dans les écorces et libérée par combustion, ainsi que la vapeur d‘eau fabriquée lors de cette combustion et récupérée par condensation.
L’originalité du procédé selon l’invention est donc d’utiliser l’énergie contenue dans les évaporats et dans la vapeur d’eau pour conserver/économiser l’énergie globale du procédé, au lieu de la laisser s’échapper.
Cette boucle de recyclage de l’énergie est particulièrement adaptée au vapocraquage du fait que ce mode de combustion produit une grande quantité de vapeur d’eau contrairement aux autres méthodes telles que la torréfaction, la pyrolyse... qui fonctionnent en atmosphère sèche.
Le fait d’utiliser l’énergie interne au système notamment pour le séchage des granulés et sous forme de vapeur d’eau introduite pour le vapocraquage augmente le rendement du procédé et le rend plus écologique.
Ce procédé est particulièrement avantageux lorsqu’il est appliqué à un traitement de la biomasse produisant de grandes quantités de COV, par exemple lorsque la sévérité des conditions de vapocraquage est élevée. Il est à noter que la sévérité est généralement contrôlée pour éviter la production de grandes quantités de COV qui diminuent le rendement du procédé puisque les évaporats sont des coproduits non utilisés dans les procédés classiques. Ici, le bilan énergétique intègre l’énergie associée aux évaporats et à la vapeur d’eau plutôt que de la comptabiliser dans les pertes. Ce procédé autorise donc la mise en œuvre de conditions sévères puisque les pertes de matières combustibles sont en fait compensées puisqu’utilisées pour produire de l’énergie.
De manière avantageuse, lorsque le bois introduit dans le système est préalablement traité pour enlever l’écorces, ces écorces sont introduites dans la chaudière. L’écorce, qui est la fraction la moins intéressante pour les applications visées (souvent moins calorique, plus minéralisée et potentiellement contaminée par des polluants), devient alors un coproduit résiduel qu’il est possible d’exploiter en le brûlant dans la chaudière servant notamment à produire de la vapeur d’eau pour le vapocraquage, ou destinée à d’autres besoins industriels.
Un tel procédé de traitement de la biomasse solide incluant le recyclage des évaporats et de la vapeur d’eau, voire des écorces, est donc particulièrement avantageux d’un point de vue industriel, économique et écologique puisqu’il procure un gain énergétique pouvant aller jusqu’à 30% par rapport à un procédé laissant échapper l’énergie de la vapeur d’eau et celle potentielle des évaporats.
L’invention concerne un procédé de traitement de biomasse solide intégrant l’énergie des coproduits comprenant une étape de vapocraquage de biomasse, caractérisé en ce que :
  • les composés organiques volatils produits dans l’enceinte de vapocraquage sont injectés, avec la vapeur de vapocraquage, directement dans la chaudière pour produire de la vapeur d’eau propre destinée au vapocraquage et éventuellement à un autre consommateur d’énergie local ;
  • l’énergie pour la production de vapeur de vapocraquage étant produite au moins en partie par la combustion desdits composés organiques volatils recyclés.
Dans un mode de réalisation particulier, la biomasse ainsi traitée sert à la production de matière combustible à haut pouvoir calorifique, notamment en granulé noirs. Dans un autre mode de réalisation particulier, la biomasse ainsi traitée est utilisée en tant que substrat pulvérulent pour des applications en chimie verte et en biotechnologies.
Ainsi, l’invention concerne l’utilisation de la biomasse traitée selon le procédé de l’invention soit pour produire de la matière combustible à haut pouvoir calorifique, soit en tant que substrat pulvérulent pour des applications en chimie verte et en biotechnologies.
Dans un mode de réalisation particulier, l’énergie pour la production de vapeur de vapocraquage est produite en mode mixte comprenant la combustion des COV recyclés et la combustion d’une source énergétique extérieure principale. Dans un mode de réalisation particulier alternatif, l’énergie pour la production de vapeur de vapocraquage est produite par la combustion des COV ainsi que par condensation de la vapeur d’eau disponible dans la chaudière, et éventuellement une source énergétique extérieure.
Par « matière combustible solide » au sens de l’invention, on entend une poudre (black powder) ou des granulés noirs (black pellet) obtenus par compression de la black powder, cette poudre et ces granulés étant constitués de biomasse vapocraquée.
Des granulés noirs à haut pouvoir calorifique peuvent être obtenus grâce à un procédé de transformation de la biomasse par vapocraquage en conditions sévères.
Dans un mode de réalisation particulier, un tel procédé est mis en œuvre comme suit :
- obtention, à partir de plaquettes de bois, de fragments de bois dont la dimension est comprise entre 0,5 et 14 mm et présentant un taux d’humidité compris entre 5 et 27% ;
- introduction en continu d’un volume prédéterminé par minute desdits fragments de bois dans un réacteur sous pression, ledit réacteur étant alimenté en vapeur d’eau sensiblement saturée dont la pression est comprise entre 10 et 25 bars et la température est comprise entre 180 et 220°C ;
- exposition des fragments de bois introduits dans ledit réacteur à ladite vapeur d’eau pendant une durée suffisante pour obtenir un vapocraquage comprise entre 5 et 30 minutes, la valeur de ladite durée d’exposition et la valeur de la température de ladite vapeur sensiblement saturée étant sélectionnées de sorte que le facteur de sévérité soit compris entre 3 et 5, de préférence entre 3,5 et 4;
- extraction en continu dudit réacteur d’un même volume prédéterminé de fragments de bois par minute, au travers d’une pluralité d’orifices débouchant dans un conduit sensiblement à la pression atmosphérique, de sorte à provoquer une décompression explosive desdits fragments de bois extraits dudit réacteur dans ledit conduit ;
- séparation desdits fragments de bois décompressés et de la vapeur résiduelle extraite dudit réacteur, lesdits fragments de bois obtenus après séparation formant ladite matière combustible sous forme de poudre.
Les fragments de bois récoltés sous forme de poudre à la sortie du séparateur sont ensuite séchés jusqu’à ce que leur taux humidité atteigne 10%, avant d’être éventuellement compactés sous forme de granulés destinés à être utilisés comme combustible. Il est possible de procéder à une humidification des fragments de bois obtenus après séparation afin de faciliter la granulation.
Le Facteur de Sévérité du traitement est défini par la formule : FS=Log10(temps(min)*exp((T°C-100) /14.75)). Plus la température est élevée et plus la durée de traitement est longue, plus la sévérité augmente, plus on constate de transformation dans le produit, plus on perd de la matière carbonée dans les évaporats
La matière combustible solide à haut pouvoir calorifique (granulés noirs) obtenue par mise en œuvre du procédé tel que défini précédemment présente un pouvoir calorifique supérieur ou égal à 5 MWh/t, de préférence supérieur ou égale à 5,6 MWh/t. Elle présente une augmentation en masse inférieure ou égale à 10% après immersion complète dans un récipient d’eau pendant une heure et égouttage pendant 30 minutes. Cette matière combustible est utilisable dans les fours industriels, et les chaudières et poêles domestiques.
La condensation d’une biomasse ligno-cellulosique par vapocraquage produit un évaporat qui doit être nettoyé des COV et cela demande de l’énergie et des équipements de lavage spécifiques. L’avantage du procédé selon l’invention est que l’énergie des coproduits est recyclée à savoir que les évaporats sont brûlés et que l’énergie produite par la combustion des COV sous forme de vapeur d’eau est réutilisée ainsi que les autres vapeurs d’eau propres disponibles, en particulier celle résultant du vapocraquage.
Il est à noter que la nature des effluents dépend de la méthode utilisée pour condenser la biomasse. Le vapocraquage produit des effluents chargés en COV riches en énergie ainsi qu’une quantité importante de vapeur d’eau (par rapport aux méthodes alternatives de condensation de la biomasse). Cette spécificité justifie pleinement un intérêt à recycler cette énergie disponible. Cela est d’autant plus vrai lorsque les conditions appliquées pour le vapocraquage sont sévères.
D’autre part, dans une chaudière pilotée, les paramètres seront ajustés en fonction de la pression et/ou des caractéristiques chimiques de l’effluent produit. Une chaudière adossée à un vapocraqueur aura donc un mode de fonctionnement spécifique.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, le procédé comprend en outre une étape de condensation d’au moins une partie des vapeurs d’eau de combustion des évaporats pour séchage de la biomasse avant vapocraquage.
En effet, les vapeurs d’eau de combustion des évaporats peuvent être condensées : en cédant leur chaleur par des boucles chaudes à de l’air pulsé, elles alimentent un courant de séchage de la matière première, qui permet une réduction d’humidité. Ainsi la biomasse rentre plus sèche au vapocraquage. La quantité d’énergie consommée pour réchauffer la biomasse est alors plus faible car il y a beaucoup moins d’eau à chauffer (5 à 10% au lieu de 40 à 50% d’eau). Le produit vapocraqué sort entre 5 et 10%, donc granulable et délivrant un granulé noir plus dense énergétiquement.
Dans un autre mode de réalisation préféré, le procédé comprend en outre une étape de condensation d’au moins une partie des vapeurs d’eau de vapocraquage pour séchage de la biomasse avant vapocraquage.
Si l’énergie générée sous forme de vapeur d’eau dans la chaudière, notamment par combustion des COV, n’est pas totalement mobilisée pour la production de vapeur d’eau de vapocraquage ou pour le séchage de la biomasse, il est possible de la mettre à disposition d’un autre consommateur d’énergie local tel qu’un industriel utilisant de la vapeur ou un électricien turbinant la vapeur pour produire de l’énergie.
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.
De plus amples intégrations énergétiques sont possibles puisque par définition les sites de production de granulés noirs par vapocraquage sont des sites de production de vapeur à partir de biomasse : on peut donc sélectionner les meilleurs bois ou parties de bois pour la fabrication des granulés, et les moins nobles sont brulés pour l’énergie endogène.
Dans un mode de réalisation avantageux, les écorces issues de l’écorçage de la biomasse sont valorisées, en tant que combustible permettant d’alimenter la chaudière pour la production de vapeur. L’écorçage a pour objectif de réduire les minéraux dans les granulés noirs (localisés majoritairement dans l’écorce) et d’extraire la fraction la moins calorifique du bois, l’écorce, pour engendrer des granulés noirs plus énergétiques. De plus, le fait de brûler les résidus d’écorces dans la chaudière permet de valoriser l’énergie qu’elles contiennent et d’augmenter le rendement global du procédé en diminuant les pertes de matière première.
Dans un mode de réalisation particulier, la biomasse vapocraquée est constituée de bois et le procédé selon l’invention comprend en outre :
  1. une étape la séparation des écorces de ladite biomasse avant vapocraquage et
  2. une étape de combustion desdites écorces dans ladite chaudière.
Il est également possible d’introduire dans la chaudière des écorces résiduelles et autres biomasses et coproduits peu valorisables en granulés noirs ou provenant d’un autre procédé en tant que matière première combustible pour la production d’énergie et de vapeur d’eau condensable.
Ainsi, dans un mode de réalisation particulier, la biomasse introduite dans la chaudière comprend des écorces.
Figure 1 : Schéma représentant un mode de mise en œuvre du procédé selon l’invention intégrant le recyclage de l’énergie des coproduits.
EXEMPLE
La fabrication du granulé noir (ou black pellet) remplace le broyage-affinage utilisé lors de la fabrication du granulé blanc (ou white pellet) par le vapocraquage qui consomme de l’énergie électrique et majoritairement de l’énergie thermique de la vapeur.
Le procédé de fabrication fabrication de granulé noir produit de l’énergie non utilisée antérieurement et que le présent procédé selon l’invention permet de valoriser. En effet, le produit sortant voit l’énergie des évaporats (environ 180 kWh / tonne de granulé noir) et des écorces (environ 260 kWh/ tonne de granulé noir) récupérées sous forme d’énergie thermique, soit 440 kWh/ tonne de granulé noir. Par ailleurs, la condensation de l’eau, amenée par l’humidité des écorces, ainsi que celle issue de la combustion des écorces et des évaporats, permet de générer 80 kWh/ tonne de granulé noir. Enfin, la vapeur de vapocraquage, qui est un fluide vecteur qui cède sa chaleur sensible et conserve sa chaleur latente, génère aussi 290 kWh/ tonne de granulé noir.
Au final ce sont 810 kWh/ tonne de granulé noir d’énergie qui sont récupérées lors de la valorisation des évaporats et des écorces (et 500 kWh/ tonne de granulé noir pour les évaporats seuls, spécifiques du granulé noir, sans tenir compte de la valorisation des écorces, qui peut aussi avoir lieu avec le granulé blanc).
Les besoins énergétiques pour la production du granulé noir sont de 830 kWh/ tonne de granulé noir pour le séchage et de 430 kWh/ tonne de granulé noir pour le vapocraquage, soit 1260 kWh/ tonne de granulé noir.
Ainsi, les besoins énergétiques thermiques pour la production de granulé noir sont couverts à 64% par des ressources renouvelables (coproduits évaporats et écorces) et par l’intégration thermique (énergie de combustion et de condensation, recyclage des flux de vapeur).
Dans le cas du granulé blanc, le séchage seul (environ 830 kWh aussi) est couvert par seulement 310 kWh de valorisation des écorces, soit 37% de couverture énergétique thermique.
Le procédé de préparation du granulé noir présente donc un gain énergétique de 27% par rapport) celui du granulé blanc qui doit utiliser des ressources énergétiques supplémentaires exogènes.

Claims (8)

  1. Procédé de traitement de biomasse solide intégrant l’énergie des coproduits comprenant une étape de vapocraquage de biomasse caractérisé en ce que :
    • les composés organiques volatils produits dans l’enceinte de vapocraquage sont injectés, avec la vapeur de vapocraquage, directement dans la chaudière pour produire de la vapeur d’eau propre destinée au vapocraquage et éventuellement à un autre consommateur d’énergie local ;
    • l’énergie pour la production de vapeur de vapocraquage étant produite au moins en partie par la combustion desdits composés organiques volatils recyclés.
  2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l’énergie pour la production de vapeur de vapocraquage est également produite par la combustion d’une source énergétique extérieure.
  3. Procédé selon l’une des revendications 1 à 2 comprenant en outre une étape de condensation d’au moins une partie des vapeurs d’eau provenant du vapocraquage et issues de la combustion des évaporats pour séchage de ladite biomasse avant vapocraquage.
  4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel ledit autre consommateur d’énergie local est choisi parmi un industriel utilisant de la vapeur ou un électricien turbinant la vapeur pour produire de l’énergie.
  5. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la biomasse est une matière première ligno-cellulosique telle que le bois entier ou le bois sans écorce.
  6. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel ladite biomasse est constituée de bois et comprend en outre :
    1. une étape de séparation des écorces de ladite biomasse avant vapocraquage et
    2. une étape de combustion desdites écorces dans ladite chaudière.
  7. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel ladite biomasse introduite dans ladite chaudière comprend des écorces.
  8. Utilisation de la biomasse traitée selon le procédé défini à l’une des revendications 1 à 7 soit pour produire de la matière combustible à haut pouvoir calorifique, soit en tant que substrat pulvérulent pour des applications en chimie verte et en biotechnologies.
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