FR2775292A1 - Heat treatment of lignocellulose-containing materials by pyrolysis in a non-renewed atmosphere - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention se rapporte à un procédé de traitement thermique de tout matériau ou matière, simple ou composite, comportant des fibres ligno-cellulosiques et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Ce procédé a pour but de générer une décomposition thermo-chimique des composants essentiels, en particulier du bois en un résidu solide à fort taux de carbone, c'est-àdire de réaliser une carbonisation. The present invention relates to a method of heat treatment of any material or material, simple or composite, comprising lignocellulosic fibers and a device for carrying out this method. The purpose of this process is to generate a thermo-chemical decomposition of the essential components, in particular wood into a solid residue with a high carbon content, that is to say to carry out carbonization.
L'art antérieur connaît déjà de tels procédés, décrits par exemple dans la demande de brevet français n" 2 512 053. Ce document porte sur un procédé de torréfaction ayant pour but de produire une matière à fort pouvoir calorifique. The prior art already knows such processes, described for example in French patent application No. 2,512,053. This document relates to a roasting process intended to produce a material with high calorific value.
II présente l'inconvénient d'être très complexe à mettre en oeuvre car le traitement thermique se fait sous atmosphère inerte, d'azote par exemple. It has the drawback of being very complex to implement since the heat treatment is carried out under an inert atmosphere, of nitrogen for example.
Le procédé selon l'invention entend remédier à cet inconvénient en proposant non pas de réaliser une carbonisation complète des matériaux ligneux, mais une carbonisation partielle, de type pyrogénation sous atmosphère non renouvelée, en restant à la limite de la pyrolyse exothermique de la matière, sans jamais la dépasser. Le non renouvellement de l'atmosphère de pyrogénation est obtenu selon le mode préféré de réalisation de l'invention en plaçant les matériaux ligneux dans des conteneurs véhiculés (ou en continu suivant le procédé) dans le four de pyrogénation. The method according to the invention intends to remedy this drawback by proposing not to carry out a complete carbonization of the woody materials, but a partial carbonization, of the pyrogenation type under an non-renewed atmosphere, while remaining at the limit of the exothermic pyrolysis of the material, without ever exceeding it. The non-renewal of the pyrogenation atmosphere is obtained according to the preferred embodiment of the invention by placing the woody materials in transported containers (or continuously according to the process) in the pyrogenation oven.
Un autre avantage important du procédé est la possibilité offerte de valoriser et de recycler des quantités importantes de matériaux ligno-cellulosiques secs ou humides jusqu'à présent mis en décharge ou incinérés en raison de leur faible pouvoir calorifique ou de leur possible contamination par un agent toxique. Another important advantage of the process is the possibility offered to recover and recycle large quantities of dry or wet lignocellulosic materials hitherto landfilled or incinerated due to their low calorific value or their possible contamination by an agent toxic.
Le dispositif selon l'invention présente en outre l'avantage de pouvoir fonctionner en continu. The device according to the invention also has the advantage of being able to operate continuously.
La matière pyrogénisée obtenue par le procédé selon l'invention connaît de multiples applications ; inerte chimiquement et physiquement, mais présentant de nombreuses qualités physiques (isolation thermique, phonique, etc...), elle peut être utilisée comme charge ou comme adjuvant dans des matériaux composites tels que des compositions à base de ciment par exemple. The pyrogenized material obtained by the process according to the invention has multiple applications; chemically and physically inert, but having many physical qualities (thermal, sound insulation, etc.), it can be used as a filler or as an adjuvant in composite materials such as cement-based compositions for example.
D'autres avantages ressortiront de la description faite ci-après de l'invention en référence aux figures annexées dans lesquelles - les figures la à Id représentent le dispositif réalisant le procédé selon l'invention respectivement vu en perspective, de face, de côté, et de dessus - la figure 2 représente un mode préféré de réalisation du dispositif selon l'invention vu en coupe longitudinale selon lequel la matière à pyrogéniser est placée dans des fûts entraînés en rotation par le four; - la figure 3 représente une coupe transversale d'un mode préféré de réalisation du foyer du dispositif selon l'invention; - la figure 4 représente un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention vu en coupe longitudinale, selon lequel la matière à pyrogéniser est placée dans des fûts entraînés en rotation par une vis sans fin traversant le four; - la figure 5 représente un autre mode de réalisation des conteneurs selon lequel les conteneurs sont introduits par grappe dans le four; - la figure 6 représente un autre mode de réalisation du dispositif de transit continu de la matière à pyrogéniser à travers le four; - la figure 7 représente un autre mode de réalisation du dispositif de pyrogénation muni en outre d'un sécheur, et - la figure 8 représente un autre mode de réalisation du dispositif de chauffage de la matière selon lequel des tubes de répartition de la chaleur sont placés au sein de la matière. Other advantages will emerge from the description given below of the invention with reference to the appended figures in which - Figures la to Id represent the device carrying out the method according to the invention respectively seen in perspective, from the front, from the side, and from above - FIG. 2 represents a preferred embodiment of the device according to the invention seen in longitudinal section according to which the material to be pyrogenized is placed in drums driven in rotation by the oven; - Figure 3 shows a cross section of a preferred embodiment of the hearth of the device according to the invention; - Figure 4 shows another embodiment of the device according to the invention seen in longitudinal section, according to which the material to be pyrogenized is placed in drums driven in rotation by an endless screw passing through the oven; - Figure 5 shows another embodiment of the containers according to which the containers are introduced by cluster into the oven; - Figure 6 shows another embodiment of the continuous transit device for the material to be pyrogenized through the oven; - Figure 7 shows another embodiment of the pyrogenation device further provided with a dryer, and - Figure 8 shows another embodiment of the material heating device according to which heat distribution tubes are placed within matter.
Le procédé selon l'invention est un procédé de traitement thermique de matériaux constitués de fibres ligno-cellulosiques, comportant une étape de carbonisation desdits matériaux. The method according to the invention is a method of heat treatment of materials made up of lignocellulosic fibers, comprising a step of carbonization of said materials.
II est caractérisé en ce que ladite étape de carbonisation est opérée partiellement sous atmosphère non renouvelée. Cette opération constitue une pyrogénation. It is characterized in that said carbonization step is carried out partially under an unrenewed atmosphere. This operation constitutes a pyrogenation.
Le but de cette pyrogénation est d'obtenir de la matière inerte chimiquement et physiquement. The purpose of this pyrogenation is to obtain inert matter chemically and physically.
Selon une caractéristique de l'invention, cette pyrogénation est opérée de façon continue. According to a characteristic of the invention, this pyrogenization is carried out continuously.
Préférentiellement, L'étape de pyrogénation est précédée d'une étape de préchauffage de la matière, et est complétée par une étape de refroidissement de la matière, effectuées toutes les deux sous atmosphère non renouvelée, pour ne pas que la matière entre totalement en combustion. Preferably, the pyrogenation step is preceded by a step of preheating the material, and is completed by a step of cooling the material, both carried out under an unrenewed atmosphere, so that the material does not completely enter into combustion. .
Pour plus d'efficacité, il est préférable de brasser la matière à pyroliser pendant toute la durée du traitement thermo-chimique. For more efficiency, it is preferable to stir the material to be pyrolized throughout the duration of the thermochemical treatment.
Le procédé peut en outre comprendre une étape de séchage de la matière avant ou au début de l'introduction dans le four si la matière à pyroliser présente une hygrométrie élevée. The method can also comprise a step of drying the material before or at the start of introduction into the oven if the material to be pyrolized has a high humidity.
Le dispositif réalisant la mise en oeuvre du procédé peut présenter différents modes de réalisation. La description faite ci-après présente d'une manière non limitative un mode préféré et quelques exemples supplémentaires de dispositifs réalisant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. The device implementing the method may have different embodiments. The description given below presents, in a nonlimiting manner, a preferred mode and a few additional examples of devices implementing the method according to the invention.
Le dispositif réalisant le procédé selon l'invention illustré figure 1 est constitué d'une enceinte (1) isolée thermiquement formant un four tunnel alimenté en chaleur par un foyer (3) et d'une cheminée (4) d'évacuation des gaz de combustion du foyer (3). The device carrying out the process according to the invention illustrated in FIG. 1 consists of an enclosure (1) thermally insulated forming a tunnel oven supplied with heat by a hearth (3) and a chimney (4) for discharging the gases of combustion of the hearth (3).
L'enceinte (1) formant le four-tunnel, est constituée d'un caisson (7) de forme allongée et de section carrée ou rectangulaire posé sur un bâti métallique (8). Le caisson (7) comporte une isolation thermique (9) réalisée en matériaux réfractaires légers à faible conductivité thermique fixés sur les parois intérieures du caisson. Ce caisson (7) d'une largeur d'environ dix mètres fermé comporte quatre ouvertures : la première (14) pour permettre l'entrée des gaz chauds issus du foyer (3) ; la deuxième (15) pour l'évacuation des fumées vers la cheminée (4) et les deux autres (16 et 16') à chaque extrémités de l'enceinte (1) pour permettre d'une part l'introduction de la matière à pyrogéniser par l'ouverture (16) et d'autre part la récupération de la matière pyrogénisée par l'ouverture (16'). The enclosure (1) forming the tunnel oven, consists of a box (7) of elongated shape and square or rectangular section placed on a metal frame (8). The box (7) comprises a thermal insulation (9) made of light refractory materials with low thermal conductivity fixed on the interior walls of the box. This box (7) with a width of about ten meters closed has four openings: the first (14) to allow the entry of hot gases from the hearth (3); the second (15) for the evacuation of fumes to the chimney (4) and the other two (16 and 16 ') at each end of the enclosure (1) to allow on the one hand the introduction of the material to pyrogenize through the opening (16) and on the other hand the recovery of the pyrogenized material through the opening (16 ').
La température du four (16) et (16') croît progressivement jusqu'à 300 C puis décroît. The temperature of the oven (16) and (16 ') gradually increases to 300 C and then decreases.
Selon une version préférée de l'invention illustrée figure 2 un tube cylindrique (2) entraîné en rotation est utilisé comme échangeur de chaleur entre les gaz chauds et la matière à pyrogéniser qui transite en continu dans le four. According to a preferred version of the invention illustrated in FIG. 2, a cylindrical tube (2) driven in rotation is used as a heat exchanger between the hot gases and the material to be pyrogenized which passes continuously through the oven.
Sous le caisson (7) et dans le bâti (8) passent des arbres d'entraînement (10) tournant maintenus par des paliers à roulements (11). Les arbres comportent à chaque extrémités des galets (12) soutenant le tube cylindrique (2) et permettant son entraînement en rotation. Un motoréducteur variateur (13) fixé en bout d'un des arbres et son bras de maintien avec des plots élastiques complètent ce dispositif. Under the box (7) and in the frame (8) pass rotating drive shafts (10) maintained by rolling bearings (11). The shafts have rollers (12) at each ends supporting the cylindrical tube (2) and allowing it to rotate. A variator gear motor (13) fixed at the end of one of the shafts and its holding arm with elastic studs complete this device.
Le caisson (7) est surmonté d'une cheminée (4) d'évacuation des gaz de combustion du foyer. The box (7) is surmounted by a chimney (4) for evacuating the combustion gases from the hearth.
Selon cette version préférée, la matière à pyrogéniser est introduite avant le début du traitement thermique dans des conteneurs (17) en forme de fûts. According to this preferred version, the material to be pyrogenized is introduced before the start of the heat treatment in containers (17) in the form of drums.
Le tube cylindrique métallique tournant (2) est d'un diamètre suffisant pour permettre le passage de ces fûts contenant la matière à pyrogéniser et dépasse des extrémités de l'enceinte (1) pour former une zone de préchauffage à l'entrée et une zone de refroidissement à la sortie. En outre, le tube cylindrique comporte à proximité de chaque extrémités deux roues (18) dont les bandes de roulement sont en contact avec les galets qui soutiennent et entraînent le tube tout en permettant sa dilatation. L'espace (19) entre le tube et les parois du four tunnel sert de conduit aux gaz chauds. The rotating metallic cylindrical tube (2) is of sufficient diameter to allow the passage of these barrels containing the material to be pyrogenized and protrudes from the ends of the enclosure (1) to form a preheating zone at the inlet and a zone cooling at the outlet. In addition, the cylindrical tube comprises near each end two wheels (18) whose treads are in contact with the rollers which support and drive the tube while allowing its expansion. The space (19) between the tube and the walls of the tunnel furnace serves as a conduit for the hot gases.
Les fûts de préférence au nombre de sept dans le dispositif dont cinq dans le four proprement dit et un dans chaque zone de préchauffage et de refroidissement ont une forme légèrement conique de manière à ce qu'ils avancent d'eux-même lors de la rotation du tube cylindrique (2) et que la matière qu'ils contiennent soit brassée automatiquement et régulièrement. The barrels, preferably seven in number in the device, five of which are in the oven proper and one in each preheating and cooling zone have a slightly conical shape so that they advance by themselves during rotation. of the cylindrical tube (2) and that the material they contain is stirred automatically and regularly.
Leur vitesse d'avancement dépend deux facteurs la conicité et la vitesse de rotation du tube cylindrique (2).Their forward speed depends on two factors the taper and the speed of rotation of the cylindrical tube (2).
Les conteneurs (17) contenant la matière à pyrogéniser sont hermétiquement fermés pendant leur transit à travers le tube cylindrique (2), afin d'empêcher la matière chauffée d'entrer en contact avec l'air ambiant et de se consumer. The containers (17) containing the material to be pyrogenized are hermetically closed during their transit through the cylindrical tube (2), in order to prevent the heated material from coming into contact with the ambient air and from being consumed.
Cependant, les conteneurs (17) comportent une pluralité d'ouvertures calibrées, répartis sur leur circonférence pour permettre l'évacuation de la vapeur d'eau et des composés organiques volatiles émis par la matière à pyrogéniser chaude ainsi que des agents toxiques dont la matière première peut être imprégnée. However, the containers (17) have a plurality of calibrated openings, distributed around their circumference to allow the evacuation of water vapor and volatile organic compounds emitted by the material to be hot pyrogenized as well as toxic agents including the material first can be impregnated.
Les conteneurs (17) se trouvent donc soumis à une légère pression interne qui empêche l'air de rentrer. Lorsqu'ils sortent du pyrogénateur les fûts sont alors refroidis jusqu'à ce que leur température soit inférieure à la température d'inflammation de la matière ligno-cellulosique pour pouvoir les vider sans risque de combustion. The containers (17) are therefore subjected to a slight internal pressure which prevents air from entering. When they leave the pyrogenator, the barrels are then cooled until their temperature is lower than the ignition temperature of the lignocellulosic material in order to be able to empty them without risk of combustion.
Dans une version préférée de l'invention, le dispositif est en outre muni d'un réseau d'aspiration des vapeurs de pyrogénation comportant un capot de captation (20) situé au dessus de l'entrée du tube cylindrique (2) muni d'une porte d'entrée que l'on ouvre uniquement lorsque l'on introduit un nouveau fût (17) dans le tube cylindrique, une canalisation (5)et une pompe (6), par exemple un ventilateur centrifuge qui assure l'aspiration des vapeurs issues de la pyrogénation dans le tube (2) par l'intermédiaire de la canalisation (5) et les souffle à grande vitesse au bas (22) du conduit de cheminée (4) augmentant ainsi par effet déprimogène le tirage naturel de la cheminée. In a preferred version of the invention, the device is further provided with a network for suction of the pyrogenation vapors comprising a collection hood (20) situated above the inlet of the cylindrical tube (2) provided with an entry door which is opened only when a new barrel (17) is introduced into the cylindrical tube, a pipe (5) and a pump (6), for example a centrifugal fan which ensures the suction of vapors from pyrogenation in the tube (2) via the pipe (5) and blows at high speed at the bottom (22) of the chimney flue (4) thus increasing the natural draft of the chimney by depressive effect .
Cette aspiration a une triple fonction : empêcher que les vapeurs et autres composés organiques volatiles ne se répandent dans le local pendant l'introduction d'un nouveau fût (17) dans le tube (2) et assurer le réchauffage du premier fût par la chaleur de ces vapeurs et produire un effet "Venturi" au bas (22) de la cheminée (4).This aspiration has a triple function: to prevent vapors and other volatile organic compounds from spreading in the room during the introduction of a new barrel (17) into the tube (2) and to ensure the heating of the first barrel by heat of these vapors and produce a "Venturi" effect at the bottom (22) of the chimney (4).
La cheminée (4) peut en outre être munie d'un dispositif de traitement des vapeurs de pyrogénation non représenté ici. The chimney (4) can also be provided with a device for treating pyrogenation vapors, not shown here.
Le refroidissement de la zone de refroidissement du tube (2) peut être réalisé par un circuit d'eau, non représenté ici. The cooling of the cooling zone of the tube (2) can be carried out by a water circuit, not shown here.
Dans une version préférée de l'invention, le foyer (3) est un foyer à bois. II communique les gaz chauds au four-tunnel au travers d'une large ouverture (14). Ce foyer comme le montre la figure 3 est constitué d'une enveloppe métallique (23) garnie de matériaux réfractaires isolants et comporte en partie basse une grille inclinée constituée de lamelles métalliques (26) entre lesquelles passe l'air primaire. Cette grille peut être secouée manuellement par l'action d'un levier extérieur au foyer et entraînant un arbre à came (27) sur lequel repose la partie haute de la grille. Les morceaux de bois constituant de préférence le combustible sont introduits dans le foyer (3) par une goulotte (28) centrale inclinée de façon à charger le haut de la grille et équipée d'une auge de chargement basculante (29) faisant office de clapet de fermeture dans ces deux positions extrêmes. Les flammes peuvent se développer en passant de chaque côté de cette goulotte. Ce foyer comporte également des conduits d'introduction d'air secondaire réglables (30) et une porte (31) d'accès à la grille pour l'allumage et le décendrage. L'air primaire est introduit sous la grille au travers d'un régulateur de tirage (32) qui sert aussi de clapet anti-retour. In a preferred version of the invention, the hearth (3) is a wood hearth. It communicates the hot gases to the tunnel oven through a wide opening (14). This hearth as shown in Figure 3 consists of a metal casing (23) lined with insulating refractory materials and has in the lower part an inclined grid consisting of metal strips (26) between which the primary air passes. This grid can be shaken manually by the action of a lever outside the hearth and driving a camshaft (27) on which the upper part of the grid rests. The pieces of wood preferably constituting the fuel are introduced into the hearth (3) by a central chute (28) inclined so as to load the top of the grid and equipped with a tilting loading trough (29) acting as a valve. closing in these two extreme positions. The flames can develop by passing on each side of this chute. This hearth also includes adjustable secondary air introduction ducts (30) and a door (31) for access to the grate for ignition and ash removal. The primary air is introduced under the grid through a draft regulator (32) which also serves as a non-return valve.
La figure 4 illustre un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention dans lequel les conteneurs (17) sont entraînés non pas par la rotation du tube (2), mais par une ou plusieurs vis sans fin (33) traversant longitudinalement le four. Chaque conteneur (17) est muni d'une ou plusieurs crémaillères (34) longitudinales ou rondes de manière à tourner sur lui-même au fur et à mesure qu'il avance. FIG. 4 illustrates another embodiment of the device according to the invention in which the containers (17) are driven not by the rotation of the tube (2), but by one or more endless screws (33) passing longitudinally through the oven . Each container (17) is provided with one or more racks (34) longitudinal or round so as to rotate on itself as it advances.
On peut imaginer aussi introduire la matière à pyrogéniser dans tout autre conteneur de forme différente ou comportant des cloisons, verticales ou horizontales ou encore par paquet ou en grappe. La figure 5 illustre un exemple de réalisation de grappe (35) de conteneurs. Cette grappe comporte par exemple quatre conteneurs. Elle est en outre munie d'une poutre (36) de manutention permettant d'entrer ou de sortir les grappes du tube (2). One can also imagine introducing the material to be pyrogenized in any other container of different shape or comprising partitions, vertical or horizontal or even in bundles or in clusters. FIG. 5 illustrates an exemplary embodiment of a cluster (35) of containers. This cluster comprises for example four containers. It is furthermore provided with a handling beam (36) allowing the clusters of the tube (2) to be entered or removed.
La figure 6 illustre un autre mode de réalisation du dispositif de transit en continu de la matière à pyrogéniser à travers le four selon lequel la matière est introduite en vrac dans le tube (2), fixe ou en rotation, sans l'intermédiaire de conteneur. FIG. 6 illustrates another embodiment of the device for the continuous transit of the material to be pyrogenized through the furnace according to which the material is introduced in bulk into the tube (2), fixed or in rotation, without the intermediary of a container .
Le transit de la matière et le brassage sont assurés par une vis sans fin (37). Le débit de bois est calculé de telle sorte que la pyrogénisation est réalisée sans carbonisation totale de la matière. The transit of the material and the mixing are ensured by an endless screw (37). The wood flow rate is calculated so that the pyrogenization is carried out without total carbonization of the material.
Selon une autre version de l'invention illustrée figure 7, on peut adjoindre au dispositif de chauffage, un dispositif de séchage (38) de la matière à pyrogéniser, si cette dernière présente un taux d'humidité trop important. La chaleur de séchage peut provenir du foyer (3). According to another version of the invention illustrated in Figure 7, one can add to the heating device, a drying device (38) of the material to be pyrogenized, if the latter has too high a humidity level. The drying heat can come from the fireplace (3).
Le principe de fonctionnement du sécheur est sensiblement identique : le bois humide (39) transite à travers un cylindre en rotation (40) grâce à une vis sans fin (41), et s'assèche au fur et à mesure de sa progression. The operating principle of the dryer is substantially identical: the wet wood (39) passes through a rotating cylinder (40) using an endless screw (41), and dries up as it progresses.
De préférence, I'air, avant d'être évacué par la cheminée (4), transite à travers un échangeur de chaleur (42). Preferably, the air, before being evacuated by the chimney (4), passes through a heat exchanger (42).
Selon une autre version de l'invention illustrée figure 8, on peut modifier le dispositif de transfert thermique de telle sorte que la chaleur soit transmise à la matière véhiculée par la vis (37) par des canalisations chaudes (43) et que le refroidissement soit produit par des canalisations froides (44). According to another version of the invention illustrated in FIG. 8, the heat transfer device can be modified so that the heat is transmitted to the material conveyed by the screw (37) by hot pipes (43) and that the cooling is produced by cold pipes (44).
Selon cette version, le four est équipé d'un foyer (45) à vis et casing isolé. According to this version, the oven is equipped with an insulated fireplace (45) and casing.
Selon une autre version de l'invention, non représentée ici, le dispositif de transfert thermique peut être du type chaleur tournante. Ainsi, le mélange gazeux dont la teneur en oxygène est limitée est injecté dans le four (2) fixe pour réaliser la pyrogénisation de la matière. According to another version of the invention, not shown here, the heat transfer device can be of the rotary heat type. Thus, the gaseous mixture whose oxygen content is limited is injected into the stationary oven (2) to carry out the pyrogenization of the material.
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