CA3152668A1

CA3152668A1 - Procede de pyrolyse de la biomasse ligneuse

Info

Publication number: CA3152668A1
Application number: CA3152668A
Authority: CA
Inventors: Yvon Nadeau; Mustapha Ouyed
Original assignee: Groupe Onym
Current assignee: Groupe Onym
Priority date: 2022-03-18
Filing date: 2022-03-18
Publication date: 2023-09-18
Also published as: WO2023175384A1; EP4493639A1

Abstract

L'invention concerne un procédé de pyrolyse de la biomasse ligneuse, caractérisé
en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - a) broyer mécaniquement de la biomasse ligneuse en particules de taille inférieure à 3cm3 ; - b) acheminer les particules ligneuses vers un séchoir ; - c) chauffer les particules ligneuses issues du séchoir, dans un réacteur de pyrolyse horizontal à auge et ayant un taux d'oxygène inférieur à 15% comportant une première entrée pour les particules ligneuses et une deuxième entrée pour des billes caloporteuses, configure pour faire réagir les particules ligneuses de manière à avoir une première sortie d'un mélange de billes caloporteuses et des particules ligneuses pyrolysées dont le temps de présence dans le réacteur est d'au moins 20 secondes et d'une deuxième sortie du gaz de pyrolyse ; - d) chauffer les billes caloporteuses dans un régénérateur de billes.

Description

Description Titre de l'invention : Procédé de pyrolyse de la biomasse ligneuse Domaine technique de l'invention [001] La présente invention concerne un procédé de pyrolyse de la biomasse ligneuse. Elle s'applique, en particulier, à la valorisation des résidus de bois (branches, feuilles, copeaux, bran de scie...) dans le but de produire des bioénergies et des bioproduits et aider à réduire les émissions de gaz à effet de serre.
Technique antérieure

[002] Certains documents de l'art antérieur proposent également des procédés de pyrolyse.

[003] On connaît par exemple le document de publication US2010163395 qui décrit un procédé de pyrolyse rapide de lignocellulose, comprenant plusieurs étapes : a) broyer mécaniquement en particules de lignocellulose; b) sécher et préchauffer des particules de lignocellulose ; c) mélanger les particules de lignocellulose avec des particules de transfert de chaleur de manière à
fournir un mélange : d) chauffer les particules de transfert de chaleur, préalablement au mélange, à une certaine température; et e) chauffer, dans un réacteur de pyrolyse de manière à fournir du coke de pyrolyse, du condensat de pyrolyse et du gaz de pyrolyse.

[004] Toutefois, la façon de gérer le caloporteur en termes de chauffage et de gestion n'est pas optimale.

[005] Le but de la présente invention est de fournir au coeur du réacteur une pyrolyse optimale afin d'assurer une meilleure homogénéité de l'échange de chaleur et assurer une réaction de pyrolyse optimale.
Présentation de l'invention

[006] La présente invention vise à remédier à ces inconvénients avec une approche totalement novatrice.

[007] Plus précisément, l'invention a pour objectif d'améliorer de façon significative le rendement de la réaction de pyrolyse et optimiser les extraits de la réaction (bio charbon, condensats, gaz de combustion...).
Date Reçue/Date Received 2022-03-18

[008] Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints, selon un premier aspect, à l'aide d'un procédé de pyrolyse de la biomasse ligneuse, remarquable en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- a) broyer mécaniquement de la biomasse ligneuse en particules ligneuses inférieures à 3cm3 ;
- b) acheminer les particules ligneuses vers un séchoir fonctionnant à
une température d'au moins 80 C configure pour avoir un taux d'humidité
inférieur à 10% des particules ligneuses en sortie ;
- c) chauffer les particules ligneuses issues du séchoir, dans un réacteur de pyrolyse à auge horizontale et ayant un taux d'oxygène inférieur à 15% comportant une première entrée pour les particules ligneuses et une deuxième entrée pour des billes caloporteuses, le chauffage est configure pour établir une température à l'intérieur du réacteur comprise entre 400 C
et 660 C et configure pour faire réagir les particules ligneuses de manière à
avoir une première sortie d'un mélange de billes caloporteuses et des particules ligneuses pyrolysées dont le temps de présence dans le réacteur est d'au moins 20 secondes et d'une deuxième sortie du gaz de pyrolyse ;
- d) chauffer les billes caloporteuses dans un régénérateur de billes, préalablement à l'entrée des billes caloporteuses du réacteur, à une température comprise entre 400 C et 650 C pendant au moins 40 secondes.

[009] Grâce à ces éléments du procédé, le transfert thermique à la biomasse ligneuse est augmenté, de façon continue et fiable.

[010] Le procédé a pour but de contrôler non pas seulement la température du caloporteur, mais également la durée de temps de chauffage, afin de s'assurer d'atteindre une température de 550 C à 660 C au centre du caloporteur et non pas à sa surface uniquement.

[011] Ainsi, le caloporteur emmagasine le maximum d'énergie thermique possible, garantissant une meilleure capacité de transfert thermique vers la biomasse dans le réacteur de pyrolyse. Le procédé a été conçu de sorte que cette température ciblée des billes à l'entrée du réacteur puisse être assurée tout le temps, dans un environnement en mouvement continu.

[012] Il s'agit également de maximiser la surface de contact entre le caloporteur et la biomasse, en réduisant les espaces vides lorsque la biomasse se mélange avec le caloporteur.
Date Reçue/Date Received 2022-03-18

[013] L'invention est avantageusement mise en oeuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposées ci-après, lesquelles sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante.

[014] Dans un mode de réalisation, ledit procédé comporte en outre une étape de séparation des billes caloporteuses et des particules ligneuses pyrolysées par un tamisage, ledit tamisage comporte deux sorties une première pour les billes caloporteuses et une seconde pour du bio charbon.

[015] Ainsi le tamisage comporte une grille qui permet la séparation des billes caloporteuses et des particules ligneuses pyrolysées. La grille est légèrement inclinée pour permettre par effet de gravité que les billes caloporteuses roulent et rebondissent sur la grille se qui détache les particules ligneuse pyrolysées qui tombent à travers de la grille par effet de gravité.

[016] Dans un mode de réalisation, ledit procédé comporte en outre une étape d'acheminement dans un convoyeur vertical du mélange des billes caloporteuses et des particules ligneuses pyrolysées vers le tamisage.

[017] Dans un mode de réalisation, lors de l'étape b) le séchoir est un séchoir de type rotatif et fonctionne avec des gaz de combustion.

[018] Dans un mode de réalisation, lors de l'étape d) le régénérateur des billes constitué d'un cylindre principal traversé par des tubes cylindriques dans lesquels passent les billes caloporteuses.

[019] Dans un mode de réalisation, lors de l'étape d) les tubes du régénérateur sont positionnés sensiblement à la verticale.

[020] Dans un mode de réalisation, lors de l'étape d) les tubes du régénérateur sont en spiral.

[021] Dans un mode de réalisation, lequel les billes caloporteuses utilisées dans l'une des étapes dudit procédé sont en métal, en céramique ou en matériau dur ayant un diamètre supérieur à 3 mm. Cette dimension permet d'avoir un diamètre suffisant pour conserver la chaleur et permet une bonne restitution de cette chaleur dans le réacteur.

[022] Dans un mode de réalisation, les billes caloporteuses utilisées dans l'une des étapes dudit procédé comporte au moins deux diamètres différents d'un rapport de diamètre inférieur ou égale à 0,5.
Date Reçue/Date Received 2022-03-18

[023] Ainsi le mélange permet une meilleure répartition de la chaleur et permet un meilleur rendement global.

[024] Dans un mode de réalisation, ledit procédé comporte en outre une étape dans laquelle le gaz de pyrolyse issu du réacteur est acheminé dans une étape de condensation configure pour extraire des phases liquides.

[025] Dans un mode de réalisation, à l'étape c) le réacteur de pyrolyse comporte une zone de stockage temporaire des gaz de pyrolyse, dans laquelle le zone de stockage est au moins égale à 30% du volume total du réacteur.

[026] Ainsi la zone de stockage temporaire sert à éliminer la plus grande proportion de biocharbon dans les gaz la hotte afin de laisser le temps à la poussière de biocharbon de se déposer pendant que les gaz sortent par le haut.
Brève description des figures

[027] D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortent de la description qui suit faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels :

[028] La figure 1 représente, sous forme de logigramme, des étapes mises en oeuvre dans un mode de réalisation particulier du procédé objet de la présente invention.

[029] La figure 2 représente, sous forme de logigramme, des étapes mises en oeuvre dans un autre mode de réalisation particulier du procédé objet de la présente invention.

[030] La figure 3 représente un exemple de réacteur selon un mode de réalisation particulier du procédé objet de la présente invention.

[031] La figure 4 représente un exemple de tamisage réacteur selon un mode de réalisation particulier du procédé objet de la présente invention.

[032] La figure 5 représente un exemple de régénérateur réacteur selon un mode de réalisation particulier du procédé objet de la présente invention.
Description des modes de réalisation

[033] La figure 1 représente, sous forme de logigramme, des étapes mises en oeuvre du procédé.

[034] Par cette figure, il est présenté ci-après le principe de l'invention.
Date Reçue/Date Received 2022-03-18

[035] La matière première valorisée, constituée essentiellement de résidus d'opérations d'élagage et d'émondage (Branches, feuilles, copeaux, bran de scie, ...), est livrée dans un bâtiment par camions. La biomasse est déposée sur un plancher mobile au niveau du quai de déchargement.

[036] Selon un exemple, le contenu du camion est ainsi directement déchargé
sur la première benne d'une série de trois bennes à fond mobile.

[037] La biomasse ligneuse est ensuite acheminée vers une étape de broyage 101.

[038] L'étape du broyage est par exemple un broyeur classique à marteaux, adapté aux besoins de débit et de taille de bois. La taille des particules ligneuses obtenue est inférieure à 3cm3.

[039] La biomasse broyée est ensuite transférée vers une benne dite de biomasse broyée, d'où elle est acheminée vers l'étape de séchage 102. Ce dernier s'effectue à l'intérieur d'un séchoir rotatif.

[040] Le séchoir fonctionne à une température d'au moins 80 C et est configure pour avoir un taux d'humidité inférieur à 10% des particules ligneuses en sortie.

[041] Le séchoir est installé dans un conteneur fermé, alimenté en chaleur par les gaz de combustion provenant d'une chambre à combustion présentée ci-après.

[042] Une fois séchée, la biomasse est acheminée vers la benne à biomasse séchée avant son transfert vers un réacteur de thermolyse. Cette dernière benne est recouverte d'un toit de tôle afin de préserver la qualité du produit et réduire les déperditions dans l'air.

[043] En termes de mesures de prévention de la contamination environnementale, il faut noter que toute la biomasse est entreposée dans des bennes métalliques et que celles-ci sont déposées sur un sol sec, tel qu'une dalle de béton, le tout entièrement à l'intérieur du bâtiment, à l'abri des intempéries et du vent. Il n'est donc pas prévu d'avoir de la biomasse entreposée à
l'extérieur ou qui puisse poser un enjeu environnemental.

[044] Le contrôle des émissions de particules de bois se fait à travers une série de cyclones, trois pour le broyeur et un pour le séchoir. Les particules capturées par les cyclones sont déposées dans la benne appropriée pour finir par être transférées au réacteur de pyrolyse.
Date Reçue/Date Received 2022-03-18

[045] L'étape suivante est de chauffer les particules ligneuses dans un réacteur de pyrolyse 103 à auge horizontale et hors oxygène.

[046] La réaction de pyrolyse ciblée est initiée lorsque la biomasse séchée est chauffée à une température avoisinante 450 C, dans un environnement faible en oxygène. Le réacteur à auge horizontal comporte un cylindre dans lequel est inséré une vis sans fin, ou la biomasse est mélangée avec des billes caloporteuses en acier afin d'optimiser le transfert thermique et la réaction de thermolyse.

[047] Ainsi, la biomasse séchée provenant de la benne de biomasse séchée est acheminée par convoyeur vers le réacteur de pyrolyse. En parallèle, des billes caloporteuses en acier chauffé sont également acheminées vers le réacteur pour être mélangées avec la biomasse séchée.

[048] Dans les conditions souhaitées, la réaction de pyrolyse se produit et la biomasse génère des gaz de pyrolyse qui sont transférés vers l'étape de la condensation, détaillé ci-après.

[049] Au bout du réacteur, le mélange de biomasse réagit et les billes caloporteuses en acier sont ensuite récupérées par un convoyeur vertical, il s'agit du mélange 104 composé des particules ligneuses pyrolysées et billes caloporteuses.

[050] Ensuite, la biomasse est séparée des billes d'acier par gravité à
travers des grilles métalliques, puis stockée dans des sacs pour être commercialisée en tant que bio charbon.

[051] Les billes d'acier reprennent la boucle fermée du réchauffage-réaction-séparation.

[052] La figure 2 représente, sous forme de logigramme, des étapes mises en oeuvre du procédé selon un autre mode de réalisation qui précise certaines étapes.

[053] La figure 2 reprend les éléments de la figure 1. En sortie du réacteur les gaz de pyrolyse vont vers une étape de condensation 108. Les gaz de pyrolyse sont acheminés dans un premier temps vers la trempe à l'huile. Cet équipement a pour but de condenser le plus de gaz possible biohuile qui est aussi un produit commercialisable et qui est entreposé temporairement dans un réservoir en acier inoxydable, double paroi, chauffé à la vapeur. Selon un exemple, il est situé à l'extérieur du bâtiment.
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[054] Les gaz qui n'ont pas condensé dans la trempe à l'huile sont ensuite dirigés vers la trempe à l'eau qui a pour but de condenser principalement de l'eau.
Cette eau, contenant notamment de l'acide acétique est connue sous le nom de vinaigre de bois. Il s'agit d'un produit destiné à la commercialisation et stocké temporairement dans un réservoir en acier inoxydable, double paroi, chauffé à la vapeur. Selon un exemple, il est situé à l'extérieur du bâtiment.

[055] Les gaz résiduels qui n'ont pas non plus condensé dans les trempes, les gaz renouvelables, sont alors transférés vers la chambre de combustion pour générer une partie de l'énergie nécessaire pour les phases de séchage et de réaction.

[056] Le mélange 104 composé des particules ligneuses pyrolysées et billes caloporteuses est dirigé par un convoyeur vertical vers l'étape 106 de tamisage. Le tamisage est une étape de séparation des billes caloporteuses et des particules ligneuses pyrolysées. Les particules ligneuses pyrolysées et les billes caloporteuses sont séparées par gravité à travers des grilles métalliques, les billes restent au-dessus de la grille alors que les particules ligneuses pyrolysées tombent par effet de la gravité.

[057] Les particules ligneuses pyrolysées sont stockées dans des sacs pour être commercialisées en tant que bio charbon.

[058] Les billes caloporteuses après l'étape de tamisage sont envoyées à
l'étape du régénérateur 107.

[059] Le régénérateur des billes est constitué d'un cylindre principal traversé par des tubes cylindriques dans lesquels passent les billes caloporteuses. Selon un exemple, les tubes sont positionnés sensiblement à la verticale. Selon un autre exemple, les tubes ont la forme d'une spirale.

[060] La figure 3 montre un exemple de réacteur utilisé à l'étape de c) du chauffage des particules ligneuses.

[061] Le réacteur à auge horizontale sert à la pyrolyse de la biomasse préalablement séchée. La biomasse et des billes caloporteuses sont introduites au réacteur par leur une entrée respective N1 et N2 à une des extrémités du réacteur. A l'aide d'une vis sans fin actionnée par un moteur M, les billes caloporteuses et la biomasse sont mélangées et transportées à
l'autre extrémité du réacteur. Tout au long du réacteur, la biomasse est Date Reçue/Date Received 2022-03-18 pyrolysée grâce à l'énergie transférée par les billes qui auront préalablement été chauffés dans un régénérateur.

[062] La pyrolyse produit du bio charbon qui sortira en N5 avec les billes à
un port à l'extrémité du réacteur. Du gaz de synthèse est récupéré en N4.

[063] Une zone de stockage temporaire est créée. La dimension de cette zone de stockage temporaire est au moins égale au tiers du volume total du réacteur.

[064] Les gaz de pyrolyse entrainent les poussières de biocharbon. La zone de stockage temporaire, appelé hotte surélevée, sert à éliminer la plus grande proportion de biocharbon dans les gaz la hotte afin de laisser le temps à
cette poussière de se déposer pendant que les gaz sortent par le haut de la hotte.

[065] Une entrée de gaz chaud N6 et une sortie de gaz chaud N7 sont positionnées aux extrémités du réacteur.

[066] Les vapeurs d'huile sont aussi produites et acheminées vers une unité de récupération d'huile de pyrolyse et de vinaigre de bois.

[067] En plus de la biomasse, selon un autre exemple, la portion d'huile ayant une concentration de biocharbon dépassant 1% dans l'huile de pyrolyse (substrat) provenant de l'unité de condensation d'huile est recyclée au réacteur pour être pyrolysée de nouveau en N3.

[068] Selon une variante, une chemise est installée autour du réacteur afin d'y faire circuler du gaz chaud provenant de la sortie du régénérateur de billes.
Ceci dans le but de garder les parois du réacteur chaudes.

[069] La figure 5 représente un exemple de tamisage lors de l'étape de séparation des billes caloporteuses et des particules ligneuses pyrolysées.

[070] Une grille de séparation constituée de barres de métal parallèles est utilisée pour séparer les billes et le biocharbon provenant du réacteur de pyrolyse à
l'entrée T1. L'espace entre les barres permet au biocharbon de s'écouler par effet de gravité ou à l'aide d'un dispositif de variation de pression en T2 à
travers la grille et aux billes de rouler vers l'entrée du régénérateur en T3.

Cette grille de séparation est insérée dans un tuyau. Selon un exemple la grille est inclinée d'au moins 25 par rapport à l'horizontal, ce qui permet aux les billes caloporteuses de rouler et rebondir sur la grille tout en laissant particules ligneuse pyrolysées se détacher des billes caloporteuses.
Date Reçue/Date Received 2022-03-18

[071] Selon un exemple, le séparateur est chambré avec du gaz de combustion chaud provenant du régénérateur afin de maintenir la stabilité de la température des gaz dans les équipements de la boucle réactionnelle. Le tout évitant des écarts de température qui peuvent créer de la condensation ou avoir une conséquence de la composition chimiques de bioproduits

[072] La figure 5 montre un régénérateur utilisé à l'étape d) du chauffage des billes caloporteuses.

[073] Le régénérateur de billes caloporteuses transfert de l'énergie thermique aux billes qui serviront de caloporteurs d'énergie vers la biomasse dans le réacteur de pyrolyse.

[074] Une fois l'énergie des billes transférée, celles-ci sont retournées au début du régénérateur pour se faire réchauffer à nouveau.

[075] Le régénérateur consiste en un échangeur coque et tubes avec des billes descendant lentement à travers les tubes. Le régénérateur est constitué d'un cylindre principal positionné sensiblement à la verticale et traversé par des tubes cylindriques positionnés sensiblement à la verticale à l'intérieur du cylindre dans lesquels passent les billes caloporteuses. Les billes à chauffer rentre en R1 et sorte en R2.

[076] La vitesse des billes est contrôlée par une vanne rotative, guillotine et/ou a double clapets et/ou alimentateur rotatif et/ou écluse et/ou vanne papillon etc.. .au bas du régénérateur.

[077] Les tubes sont chauffés par un gaz de combustion à haute température du côté de la calandre. Il entre par une entrée R3 et sort par une sortie R4.
Date Reçue/Date Received 2022-03-18

Claims

Revendications Revendication 1. Procédé de pyrolyse de la biomasse ligneuse, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- a) broyer mécaniquement de la biomasse ligneuse en particules ligneuses inférieures à 3cm3 ;
- b) acheminer les particules ligneuses vers un séchoir fonctionnant à une température d'au moins 80 C configure pour avoir un taux d'humidité inférieur à
10% des particules ligneuses en sortie ;
- c) chauffer les particules ligneuses issues du séchoir, dans un réacteur de pyrolyse à auge horizontale et ayant un taux d'oxygène inférieur à 15%
comportant une première entrée pour les particules ligneuses et une deuxième entrée pour des billes caloporteuses, le chauffage est configure pour établir une température à l'intérieur du réacteur comprise entre 400 C et 660 C et configure pour faire réagir les particules ligneuses de manière à avoir une première sortie d'un mélange de billes caloporteuses et des particules ligneuses pyrolysées dont le temps de présence dans le réacteur est d'au moins 20 secondes et d'une deuxième sortie du gaz de pyrolyse ;
- d) chauffer les billes caloporteuses dans un régénérateur de billes, préalablement à l'entrée des billes caloporteuses du réacteur, à une température comprise entre 400 C et 650 C pendant au moins 40 secondes.
Revendication 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit procédé
comporte en outre une étape de séparation des billes caloporteuses et des particules ligneuses pyrolysées par un tamisage, ledit tamisage comporte deux sorties une première pour les billes caloporteuses et une seconde pour du bio charbon.
Revendication 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ledit procédé
comporte en outre une étape d'acheminement dans un convoyeur vertical du mélange des billes caloporteuses et des particules ligneuses pyrolysées vers le tamisage.
Revendication 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de l'étape b) le séchoir est un séchoir de type rotatif et fonctionne avec des gaz de combustion.
Date Reçue/Date Received 2022-03-18 Revendication 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de l'étape d) le régénérateur des billes constitué d'un cylindre principal traversé par des tubes cylindriques dans lesquels passent les billes caloporteuses.
Revendication 6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de l'étape d) les tubes du régénérateur sont positionnés sensiblement à la verticale.
Revendication 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lors de l'étape d) les tubes du régénérateur sont en spiral.
Revendication 8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les billes caloporteuses utilisées dans l'une des étapes dudit procédé sont en métal, en céramique ou en matériau dur ayant un diamètre supérieur à 3 mm.
Revendication 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel les billes caloporteuses utilisées dans l'une des étapes dudit procédé comporte au moins deux diamètres différents d'un rapport de diamètre inférieur ou égale à 0,5.
Revendication 10. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit procédé
comporte en outre une étape dans laquelle le gaz de pyrolyse issu du réacteur est acheminé dans une étape de condensation configure pour extraire des phases liquides.
Revendication 11. Procédé selon la revendication 1, dans lequel à l'étape c) le réacteur de pyrolyse comporte une zone de stockage temporaire des gaz de pyrolyse, dans laquelle le zone de stockage est au moins égale à 30% du volume total du réacteur.
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