OA21348A - Procédé de production de charbon écologique à forte efficacité énergétique. - Google Patents

Abstract

Le domaine technique de la présente invention est celui des procédés de fabrication des biocombustibles solides (briquettes de charbon) qui consistent en des technologies de transformation des matières premières lignocellulosiques. La présente invention, propose un charbon écologique à forte efficacité énergétique fabriqué à partir des gousses du Delonix Regia, susceptible de substituer convenablement le charbon de bois et le bois de chauffe au regard de ses performances énergétiques. Composé majoritairement des gousses du Delonix Regia dans des proportions appropriées, le charbon écologique à forte efficacité énergétique est sous forme de cylindres concentriques, présentant un trou de diamètre 40 mm en son milieu. L’objectif de cette géométrie particulière, étant d’augmenter le phénomène de transfert de chaleur lors de la combustion des briquettes (convection & conduction). Soumis à différents tests de performances énergétiques tels que les tests de résistance au choc, les tests de résistance à l’effritement, les tests de combustion, les tests d’ébullition outre son Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI), il ressort que ce charbon écologique présente de meilleures performances. Il présente également un temps d’ébullition d’eau inférieur ou égale à celui du charbon de bois (soit 9 min 24 s) et s’avère très économique en termes de quantités de charbons consumées lors des cuissons de longue durée (cas du voandzou et du haricot). Son PCI est de l’ordre de 30,61 MJ/Kg (soit 98,82 % du PCI du charbon de bois qui est de 30,97MJ/Kg).

Description

La présente invention concerne un procédé de production de charbon écologique à forte efficacité énergétique, susceptible de substituer convenablement le charbon de bois/bois de feu.

Le domaine technique de la présente invention est celui des procédés de fabrication des biocombustibles solides (briquettes de charbon) qui consistent en des technologies de transformation des matières premières lignocellulosiques à travers les phases de séchage, carbonisation, broyage (obtention de poudre), de moulage et de compactage, et de séchage des biocombustibles solides.

De la revue de littérature scientifique et de vulgarisation des briquettes de charbon, nous savons qu’il existe plusieurs résultats de recherches sur ces types de biocombustibles solides, parmi lesquels nous pouvons citer :

Très tôt en 1987, on assiste aux premières briquettes de charbons non pyrolysés contenant de fines particules de charbon de dimensions appropriées en mélange avec l’argile inorganique (Osuwan Somchai, 1987).

Dans l'optique d'explorer d'autres pistes, un autre procédé a vu le jour : il s’agit du procédé de production de briquettes de charbon à partir de matières organiques par traitement thermique (Tukiainen Sampo, 2011).

Par ailleurs, il existe un procédé de production de briquettes de charbon servant à produire des cokes (Mitsubishi Chemical Corporation, 2013).

Trois (03) ans après, la technologie de production des briquettes de charbon a évolué à tel point, qu’en 2016, on note déjà la mise en place formelle de la chaîne de production de briquettes de charbon (Kang Yong Soo, 2016). Elle prend en compte : une étape de préparation du charbon, une étape de séchage du charbon, une étape de mesure de l'humidité post-séchage pour mesurer la teneur en humidité contenue dans le charbon séché, une étape consistant à fournir un mélange en associant le charbon séché avec au moins un élément choisi parmi un agent de durcissement et un liant, et une étape de production des briquettes de charbon en moulant le mélange.

Par la suite, on assiste à la mise en place d’un procédé de préparation de liant (intervenant dans le procédé de production de briquettes de charbons) à partir d’un lessivât de déchets en vue de la production de charbon industriel (Fuzhou University, 2018).

Au cours de la même année, on note la mise en place de combustibles de briquettes de charbon à forte résistance et à faible coût (UBE industries, LTD, 2018). Elle vient mettre un accent particulier sur l’une des performances des briquettes de charbons : la résistance au choc (pour être en phase avec la résistance du charbon de bois, même si elle est difficile à atteindre). Enfin, en 2021, on note par contre, un nouveau procédé de production de briquettes de charbon, cette fois ci, à partir des scories de charbon avec un liant et résultant de déchets de minoterie, permettant de produire un combustible en briquettes écologiques tout en augmentant les caractéristiques énergétiques (température de combustion du combustible plus élevée) (ketelehob, 2021).

Comme nous pouvons le constater, la plupart de ses inventions repose essentiellement sur la production de briquettes de charbons, et non sur ses performances énergétiques.

Si hier, l’objectif est juste d’innover à travers la production de charbons écologiques, l’enjeu aujourd’hui est tout autre : il s’agit de mettre l’accent sur les performances du charbon écologique en vue d’une substitution convenable du charbon de bois / bois de feu face aux défis d’atténuation des effets du changement climatique.

C’est bien à cela que la présente invention s’attelle à faire. L’originalité se trouve également dans l’utilisation de différentes matières premières dans des proportions optimales en vue d’une amélioration qualitative du charbon écologique obtenu. Cette étude repose sur un modèle analytique dénommé « Maréchar, » ainsi désigné le maréchar des charbons écologiques d’où le terme consacré « charbon écologique à forte efficacité énergétique ».

En effet, il existe plusieurs types de briquettes sur le marché qui :

- soit, ne sont pas promus du fait de leurs faibles performances énergétiques comparativement au charbon de bois ;

- ou soit, ils sont compétitifs mais coûteux.

Au regard de la chaîne de production des biocombustibles solides (briquettes de charbon), il convient de faciliter l’approvisionnement en mettant l’accent sur des matières premières appropriées et disponibles, susceptibles de contribuer à l’obtention de biocombustibles solides à forte efficacité énergétique et à moindre coût.

Les briquettes de charbons fabriqués dans le cadre de cette étude, identifiés sous le vocable « Charbon Ecologique à Forte Efficacité Energétique : charbon EFEE » est inspiré d’un procédé d’optimisation basé non seulement sur le choix optimal de matières premières mais aussi et surtout sur la nature de la formulation du mélange (proportion des différents intrants) devant permettre d’obtenir un charbon de qualité.

Dans la présente invention, la matière première utilisée est de la famille de Ceasalpiniaceae : Delonix Regia est un arbre qui génère des fruits sous forme de gousse de 30-60 cm de long et 5-7 cm de large, lesquels constituent une biomasse abondante pour la valorisation énergétique.

Le charbon écologique à forte efficacité énergétique fabriqué à partir de cette matière première présente des performances énergétiques très proches de celles du charbon de bois, de par sa forme géométrique et sa composition physicochimique. Composé majoritairement des gousses du Delonix Regia dans des proportions étudiées de 90%, puis de l’argile à hauteur de 10%, le charbon écologique à forte efficacité énergétique est sous forme de cylindres concentriques, présentant un trou de diamètre 40 mm au milieu : l’objectif de cette géométrie particulière, est d’augmenter le phénomène de transfert de chaleur lors de la combustion des briquettes (convection & conduction). Cette forme géométrique du charbon écologique à forte efficacité énergétique découle d’une presse hydraulique munie de moules sous forme de cylindres concentriques avec un trou au centre. Les figures 1 & 4 présentent respectivement la géométrie du charbon écologique à forte efficacité énergétique obtenu et le moulage de la presse hydraulique.

Soumis à différents tests de performances énergétiques tels que les tests de résistance au choc, les tests de résistance à l’effritement, les tests de combustion, les tests d’ébullition, le Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI), outre le taux d’humidité et le taux de cendre qui représentent des paramètres de base communs à toutes recherches antérieures, il ressort que ce charbon écologique à forte efficacité énergétique présente un meilleur temps d’ébullition d’eau comparativement à celui du charbon de bois (soit 9min24s) et s’avère très économique pour les cuissons de longues durées (cas du voandzou et du haricot). Son PCI est de l’ordre de 30,61 MJ/Kg (soit 98,82 % du PCI du charbon de bois qui est de l’ordre 30,97MJ/Kg). Le charbon écologique présente donc les meilleures performances (Cf. Tableau 1).

B-	Effritement de la briquette	Résistance au choc	Durée d’allumage (min)	Appréciation à l’allumage	Appréciation à la combustion	Fumée	Odeur
Charbon de bois	Aucun	Très bonne	2min6s -	Rapide	Satisfaisant '	Néant	Inodore
Charbon écologique à forte efficacité énergétique	Aucun	Bonne	1min4s	Très rapide	Satisfaisant	Néant.	Inodore

Tableau 1 : Paramètres techniques du charbon écologique à forte efficacité énergétique

La figure 2 illustre bien la réactivité du charbon écologique à forte efficacité lors de la combustion. La figure 3 montre par contre le sens d’évolution de la chaleur au sein de l’échantillon de charbon ; En effet, la chaleur se propage de l’extérieur vers l’intérieur justifiant ainsi la forme géométrique adoptée. Mieux, une fois au cœur de l’échantillon de charbon, le trou au milieu constitue un puits de chaleur. Cette chaleur est restituée vers la fin de la combustion du charbon, et constitue une sorte de réserve en présence des cendres (produits de la combustion du charbon) ; Ce procédé est inspiré du modèle cinétique appelé « Shrinking Core Model ».

Claims (12)

1. Procédé de production de charbon écologique à forte efficacité énergétique basé sur plusieurs étapes de production bien définies à savoir :

- le séchage des gousses de Delonix Regia ;

- la carbonisation des gousses de Delonix Regia séchées ;

- le broyage du charbon issu de la carbonisation des gousses de Delonix Regia séchées ;

- le mélange du broyât (poudre) du charbon issu de la carbonisation de la biomasse sèche et de l’argile dans les proportions de 90% du broyât (poudre) du charbon issu de la carbonisation des gousses de Delonix Regia séchées et 10% d’argile ;

- le moulage et le compactage du mélange précédemment obtenu à partir d’une presse hydraulique ;

- le séchage des charbons écologiques à forte efficacité énergétique.

2. Procédé de production de charbon écologique selon la revendication 1 où l’étape de séchage des gousses de Delonix Regia consiste à récupérer les gousses sans les graines, puis les concasser en des particules de moyennes tailles et les sécher pour obtenir des particules de gousses sèches.

3. Procédé de production de charbon écologique selon la revendication 1 où l’étape de carbonisation des gousses de Delonix Regia consiste en outre, à la carbonisation des particules de gousses de Delonix Regia sèches pour obtenir des particules de gousses carbonisées sous forme de charbon à l’aide d’un carbonisateur.

4. Procédé de production de charbon écologique selon la revendication 1 où l’étape de broyage des particules de gousses de Delonix Regia carbonisées consiste à transformer en poudre de charbons les particules de gousses de Delonix Regia carbonisées à l’aide d’un broyeur à marteaux.

5. Procédé de production de charbon écologique selon la revendication 1 où l’étape de mélange consiste à mélanger du broyât (poudre) du charbon des gousses de Delonix Regia séchées et de l’argile dans les proportions de 90% du broyât (poudre) du charbon issu de la carbonisation des gousses de Delonix Regia séchées et 10% d’argile en présence d’eau.

6. Procédé de production de charbon écologique selon la revendication 1 où l’étape de moulage et de compactage consiste à charger les cylindres de la presse hydraulique avec le mélange précédemment obtenu, puis à le comprimer afin d’obtenir lors du démoulage, les échantillons de charbons écologiques à forte efficacité énergétique (Cf. figure 1).

7. Procédé de production de charbon écologique selon la revendication 1 où l’étape de séchage des charbons écologiques à forte efficacité énergétique consiste à sécher les charbons écologiques obtenus afin de les rendre suffisamment secs pour la combustion.

8. Charbon écologique à forte efficacité énergétique obtenu selon le procédé de la revendication 1, caractérisé en ce que ledit charbon écologique présente une forme cylindrique et concentrique.

9. Charbon écologique à forte efficacité énergétique obtenu selon le procédé de la revendication 1, caractérisé en ce qu’il se présente sous forme de cylindres concentriques avec un trou central de 40 mm de diamètre.

10. Charbon écologique à forte efficacité énergétique obtenu selon le procédé de la revendication 1, présentant un meilleur temps d’ébullition d’eau comparativement à celui du charbon de bois (soit 9min24s), très économique pour les cuissons de longues durées et un Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI) de l’ordre de 30,61 MJ/Kg.

11. Charbon écologique à forte efficacité énergétique obtenu selon le procédé de la revendication 1, ledit charbon est utilisable dans tout type de fourneau.

12. Charbon écologique à forte efficacité énergétique obtenu selon le procédé de la revendication 1, caractérisé par sa facilité d’allumage au moyen des allumes feu ordinaires (copeaux de bois, tourteaux de noix de palme etc.).