PROCÉDÉ DE DÉSHYDRATATION MÉCANIQUE ASSISTÉE THERMIQUEMENT

Description

[0001] La présente invention concerne un procédé de déshydratation mécanique assistée thermiquement ayant pour but de réaliser la séparation solide/liquide d'un produit comportant d'une part une phase liquide et d'autre part une phase solide.

[0002] La séparation d'une phase continue (le liquide) et d'une phase dispersée (le solide) initialement mélangées peut être réalisée de diverses manières : décantation, centrifugation, filtration, compression, séparation magnétique, .... Une des techniques de déshydratation mécanique conventionnellement mise en oeuvre dans l'industrie est le couplage en série d'une filtration à pression constante et d'une compression mécanique.

[0003] La filtration s'applique à des suspensions, concentrées ou diluées, de particules grossières présentant éventuellement une distribution granulométrique étalée tout comme à des suspensions colloïdales. La séparation est réalisée à l'aide d'un média filtrant perméable essentiellement à la phase liquide du mélange à séparer. Le liquide séparé s'appelle le filtrat, l'effluent, ou encore le perméat.

[0004] Dans le cas d'une filtration sur support, une suspension à filtrer est introduite à débit constant ou, plus fréquemment, sous pression d'alimentation constante dans une enceinte fermée par un support poreux (le média filtrant). Sous l'effet de la pression appliquée, la suspension migre vers le média filtrant, sur lequel les particules solides se déposent et forment un gâteau de filtration tandis que le filtrat est récupéré sous le support poreux. Comme dans d'autres procédés de séparation, la séparation des phases n'est jamais complète : le gâteau présente une humidité résiduelle et le filtrat contient souvent quelques solides. Lorsque les gâteaux de filtration formés sont compressibles, la séparation peut être poursuivie par compression. L'augmentation de pression réduit le volume du gâteau en expulsant le liquide en excès contenu dans les pores, ce qui conduit à une diminution de l'humidité résiduelle du gâteau. Pour des solides divisés humides, seule la phase de compression est mise en oeuvre.

[0005] Pour les suspensions, la séparation solide/liquide débute habituellement par une étape d'épaississement du produit suivie d'une étape de déshydratation mécanique au cours de laquelle le liquide contenu dans le produit est séparé sous forme liquide sans apport de chaleur. Lors de cette opération, la teneur en liquide, en général de l'eau, peut être réduite de 95 à 70% en masse. Ces chiffres sont variables selon les produits déshydratés et sont donnés ici à titre purement indicatif. Le rendement de la séparation mécanique est cependant assez médiocre pour les suspensions colloïdales ou les produits pâteux, tels les boues résiduaires. L'atout principal de ces opérations est leur faible consommation énergétique. Pour un épaississement gravitaire, une consommation comprise entre 0,001 et 0,01 kWh est nécessaire par mètre cube d'eau éliminé. Dans une opération de déshydratation mécanique, la consommation d'énergie est de l'ordre de 1 à 10 kWh par mètre cube d'eau éliminé.

[0006] Lorsqu'une réduction plus importante de la teneur en eau est nécessaire, le séchage thermique, qui consiste à évaporer ou vaporiser l'eau contenue dans le produit humide, peut être utilisé. Le coût énergétique de cette opération est ici de l'ordre de 1000 kWh par mètre cube d'eau éliminé. Le coût de cette opération est souvent rédhibitoire surtout lorsque l'opération est pratiquée sur des sous-produits ou des déchets. En outre, la teneur en eau finale des produits séchés est généralement inférieure à 5%, bien qu'une si basse teneur en eau ne soit pas toujours indispensable pour la valorisation du déchet.

[0007] Il est connu de réaliser un apport de chaleur lors d'une déshydratation mécanique. On parle alors de déshydratation mécanique assistée thermiquement. Le couplage pression/chaleur peut s'envisager de différentes façons : d'une part selon le mode d'apport de cette chaleur (conduction, convection...) et d'autre part selon le moment où elle est apportée (avant l'étape de filtration, pendant la compression ou tout au long de la déshydratation).

[0008] Le plus souvent, les pressions utilisées sont relativement élevées et les apports de chaleur sont tels qu'ils permettent une vaporisation de la phase liquide.

[0009] Un procédé de déshydratation mécanique assistée thermiquement comprenant les caractéristiques du préambule de la revendication 1 est connu du document US 4380496.

[0010] Ces divers procédés présentent tous l'inconvénient d'avoir un rendement énergétique relativement médiocre. En outre, on remarque parfois un collage du matériau sur les parois chaudes de la presse.

[0011] La présente invention a alors pour but de fournir un procédé de déshydratation mécanique assisté thermiquement présentant un bilan énergétique optimisé. De préférence, ce procédé permettra d'éviter les problèmes de collage rencontrés avec certains procédés de l'art antérieur.

[0012] À cet effet, la présente invention propose un procédé de déshydratation mécanique assistée thermiquement dans lequel un produit à déshydrater est introduit dans un dispositif de filtration et/ou de compression et dans lequel un apport de chaleur est réalisé.

[0013] Selon la présente invention, ce procédé comporte une première étape à une première pression inférieure à 7 bars au cours de laquelle le produit à déshydrater est chauffé à une température inférieure à la température d'évaporation du liquide à éliminer et le liquide à éliminer est récupéré au fur et à mesure, cette première étape ayant une durée comprise entre 5 minutes et plusieurs heures.

[0014] Il est proposé ici de réaliser un premier traitement (compression et/ou filtration) à pression peu élevée et à basse température pendant une longue durée. Cette approche originale permet une bonne séparation de la phase liquide hors du produit à déshydrater tout en minimisant la consommation d'énergie pour réaliser la déshydratation correspondante. Le liquide étant éliminé au fur et à mesure, il n'est pas chauffé inutilement, ce qui permet de limiter la consommation énergétique au cours de la mise en oeuvre du procédé.

[0015] Selon une forme de réalisation préférée du procédé selon la présente invention, la première pression est comprise entre 1,5 et 4 bars, de préférence autour de 3 bars pour la majorité des produits pour lesquels le procédé a été testé.

[0016] Une forme de réalisation de la présente invention prévoit que le dispositif de filtration et/ou compression comporte une enceinte présentant une paroi dont une partie au moins est chauffée, et que le produit à déshydrater est chauffé par conduction à partir de la partie chauffée de la paroi. La partie de la paroi de l'enceinte qui est chauffée peut être fixe ou mobile. Si la pression est réalisée par un piston, des plateaux ou par d'autres éléments, on peut prévoir que les moyens permettant d'exercer une pression sur le produit à déshydrater sont chauffés. Le chauffage peut être réalisé par tous moyens : résistance électrique, fluide caloporteur, rayonnement etc..

[0017] Pour augmenter la quantité de liquide séparé du produit à déshydrater, le procédé selon l'invention prévoit que la première étape à basse pression est suivie d'une seconde étape à une seconde pression, cette seconde pression étant supérieure à la première pression et inférieure à 30 bars. On réalise ainsi une séparation supplémentaire qui permet d'augmenter le rendement du procédé. Avec certains produits, comme la bentonite par exemple, cette augmentation de rendement est sensible mais il a été remarqué avec certains autres produits que cette seconde étape à pression plus élevée ne permettait d'extraire que relativement peu de liquide. Dans cette seconde étape, la température reste de préférence inférieure à la température de vaporisation du liquide à extraire. Une variante préférée prévoit que dans la seconde étape la partie chauffée de la paroi reste à température sensiblement constante, cette température correspondant à la température de ladite partie chauffée de la paroi dans le dispositif de filtration et/ou de compression à la fin de la première étape.

[0018] Dans un procédé selon l'invention dans lequel le dispositif à déshydrater est disposé dans une enceinte dont une partie de la paroi est chauffée, alors, dans la seconde étape dudit procédé, la partie chauffée de la paroi reste de préférence à température sensiblement constante, cette température correspondant à la température de ladite partie chauffée de la paroi dans le dispositif de filtration et/ou de compression à la fin de la première étape de compression. Lorsque le liquide à éliminer contient majoritairement de l'eau, la partie chauffée de la paroi est portée à une température comprise par exemple entre 40°C et 90°C dans la première étape.

[0019] Le procédé selon l'invention peut également comporter, avant la première étape, une étape de déshydratation à température ambiante, sans apport de chaleur, à une pression correspondant à la première pression.

[0020] Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des rendements supérieurs avec une consommation énergétique moindre lorsqu'il est appliqué par exemple au prétraitement d'une biomasse humide, à l'exclusion du bois. La biomasse humide traitée ici peut être par exemple des céréales, des plantes fourragères, des plantes légumineuses, des plantes à fibres, des plantes oléagineuses, des plantes à colorant, .... Parmi ces plantes, on peut ainsi par exemple citer à titre d'exemples non limitatifs la luzerne, le ray-grass, le soja et le pastel. Lorsque le procédé selon l'invention est appliqué à un prétraitement de biomasse humide, cette biomasse humide, après déshydratation mécanique assistée thermiquement, peut par exemple subir une étape finale de séchage thermique dans un sécheur, le sécheur étant alors avantageusement muni d'un échangeur de chaleur en sortie, et l'énergie des buées récupérée dans l'échangeur de chaleur étant au moins partiellement utilisée pour réaliser un chauffage lors des étapes précédentes du procédé. De cette manière, il est possible d'optimiser le bilan énergétique de toute la chaîne de traitement de la biomasse mise en oeuvre dans le procédé.

[0021] Un procédé selon l'invention peut aussi être appliqué par exemple à la déshydratation de déchets liquides ou pâteux, à l'exclusion des boues résiduaires urbaines et des boues d'eau potable. Il peut s'agir ici de boues industrielles telles par exemple des boues de papeterie ou bien encore d'un déchet tel de la bentonite sodique usagée.

[0022] Un procédé selon l'invention est également bien adapté à l'extraction de jus vert à partir d'une biomasse humide, à l'exclusion du bois. Il s'agit ici par exemple d'extraire un jus riche en protéines d'une plante telle la luzerne. Le liquide évacué au cours de la déshydratation est alors valorisé et n'est pas un déchet. Pour favoriser dans ce procédé la qualité du jus vert issu de la déshydratation mécanique assistée thermiquement, la température de la paroi chauffée reste avantageusement inférieure à 60°C. De préférence, la température des parois chauffées est de l'ordre de 50°C (+/- 2°C).

[0023] Des détails et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui suit, faite en référence aux dessins schématiques annexés sur lesquels :

La figure 1 représente, en perspective avec une coupe partielle, une cellule de filtration/compression utilisée pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention,

La figure 2 illustre l'influence de la température lorsque le procédé selon l'invention est utilisé avec de la bentonite,

La figure 3 montre l'influence de la pression dans le procédé selon l'invention avec de la bentonite,

La figure 4 montre l'influence de la température avec le procédé selon l'invention pour de la luzerne,

La figure 5 montre l'influence de la température dans un procédé selon l'invention appliqué à une boue de papeterie,

La figure 6 montre l'influence de la pression dans le procédé selon l'invention appliqué à une boue de papeterie,

La figure 7 illustre la cinétique de production de jus vert lors d'une déshydratation mécanique selon la présente invention, et

La figure 8 illustre schématiquement un procédé de déshydratation mettant en oeuvre une déshydratation mécanique et un séchage thermique.

[0024] La figure 1 représente une cellule de filtration/compression pouvant être utilisée pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention. Cette cellule comporte d'une part un cylindre 2 destiné à recevoir un produit à déshydrater et d'autre part un piston 4 adapté au cylindre 2 de manière à pouvoir coulisser dans celui-ci. Le cylindre 2 est par exemple usiné dans du polytétrafluoroéthylène, connu sous la marque téflon et qui est un matériau isolant thermique. Le piston 4 quant à lui peut être par exemple réalisé en cuivre. Des résistances électriques 6 sont intégrées dans le piston 4 de manière à pouvoir chauffer celui-ci.

[0025] Une enveloppe extérieure 8, par exemple réalisée en acier, assure la résistance mécanique de l'ensemble.

[0026] Au fond du cylindre 2 se trouve un média filtrant 10 qui comporte d'une part un filtre en microfibres de verre déposé sur une grille réalisée par exemple dans un matériau de marque téflon. On remarque sous le média filtrant la présence d'un collecteur 12 de liquide. Une sortie 14 est prévue pour l'évacuation du liquide collecté au niveau du collecteur 12.

[0027] Une cellule de filtration/compression telle celle représentée sur la figure 1 est destinée à être insérée dans une presse hydraulique (non représentée), par exemple une presse hydraulique de marque Carver.

[0028] Pour la mise en oeuvre du procédé, le produit à déshydrater est versé dans le cylindre 2 de la cellule de filtration/compression. Le piston 4 est ensuite introduit dans le cylindre 2 et vient comprimer le produit à déshydrater. Une pression constante est alors exercée par ce piston 4 sur le produit à déshydrater se trouvant dans le cylindre 2. Un filtrat s'écoule à travers le média filtrant 10 vers le collecteur 12 et est évacué par la sortie 14.

[0029] Le procédé de déshydratation mécanique assisté thermiquement selon l'invention comporte deux phases principales :

• une première phase de déshydratation à une première pression P1 au cours de laquelle le piston est chauffé pour être à une température T, et
• une seconde phase de déshydratation à pression plus élevée P2 > P1. La température du piston T reste ici identique à sa température à la fin de la première phase.

[0030] La première phase peut être subdivisée en deux sous-phases : tout d'abord une première sous-phase où le produit à déshydrater est mis sous pression à température ambiante et une seconde sous-phase où le piston monte en température jusqu'à atteindre la température T.

[0031] Le procédé selon l'invention a été appliqué à titre d'exemples non limitatifs à de la bentonite, à de la luzerne et à des boues de papeterie. Pour la bentonite et la luzerne, la pression P1 a été choisie à 3 bars tandis que, pour les boues de papeterie, la pression P1 vaut 1,78 bar. Ces valeurs correspondent à un mode de réalisation préféré et sont données ici à titre illustratif et non limitatif.

[0032] La pression P2 au cours de la deuxième phase est choisie supérieure à la pression P1 en restant toutefois inférieure à 30 bars.

[0033] Les figures 2 et 3 montrent les résultats obtenus avec de la bentonite. Ce matériau minéral est utilisé dans le domaine du génie civil pour fixer des sols et des talus lors de travaux. Il s'agit d'une argile qui a subi un traitement pour lui conférer des propriétés plastiques particulières. En fin de chantier, la bentonite est récupérée et réutilisée tant que ses propriétés rhéologiques ne sont pas altérées. En fin de cycle, le produit est stocké. On remarque que la bentonite ainsi stockée contient environ 90% d'eau. Il est donc intéressant de déshydrater cette bentonite d'une part pour limiter sa masse durant son transport et d'autre part pour limiter son volume.

[0034] La figure 2 illustre le pourcentage massique d'eau éliminée pendant la première phase, en fonction de la température du piston 4. La durée de cette première phase est fixée ici à 3 heures. De même que les autres valeurs numériques indiquées, cette valeur est donnée à titre illustratif et non limitatif. Avec une telle durée, un gradient de température s'établit dans le produit à déshydrater se trouvant dans la cellule de filtration/compression. Le chauffage du produit à déshydrater est réalisé ici par conduction. En disposant des résistances chauffantes dans les parois du cylindre 2, on pourrait obtenir une montée en température du produit à déshydrater plus rapide et ainsi diminuer la durée de la phase 1. D'autres modes de chauffage peuvent être envisagés. On peut ainsi notamment prévoir de chauffer le produit avant de l'introduire dans la cellule de filtration/compression. Cette solution n'est pas préférée car elle oblige à chauffer de l'eau (ou autre liquide) qui est ensuite éliminée - chaude - lors de la mise sous pression du produit à déshydrater dans la cellule de filtration/compression.

[0035] Le pourcentage massique d'eau éliminée est calculé de la manière suivante : il s'agit du rapport entre la masse d'eau séparée durant une phase du procédé et la masse totale d'eau dans le matériau. Ce rapport est toujours inférieur à 1 et est exprimé en pourcentage sur les figures.

[0036] La figure 2 représente le pourcentage massique d'eau éliminée au bout de 3 heures pour différentes températures du piston 4. La température T du piston varie ici entre 21 °C et 90°C. On constate que la quantité d'eau éliminée croît avec la température du piston. Pour des températures de l'ordre de 80 à 90°C, on remarque que 70% de l'eau contenue dans la bentonite est éliminée. Selon les besoins de l'utilisateur, cette réduction de masse de la bentonite peut être suffisante.

[0037] Dans le cas de figure représenté sur la figure 3, on a choisi de fixer la température du piston à 80°C. Comme il ressort de la figure 2, 70% de l'eau est éliminée au cours de la première phase. Cette valeur est reprise sur la figure 3. Cette figure montre quelle quantité d'eau peut être encore éliminée durant la seconde phase en fonction de la pression appliquée au produit à déshydrater durant cette seconde phase. La durée de cette seconde phase est ici de 2 heures.

[0038] Sur la gauche de la figure 3, on a choisi P2 = 7 bars tandis que la partie droite de cette figure, on a choisi P2 = 26 bars. On remarque ici que la seconde phase permet de retirer une quantité d'eau assez importante (environ 25% de l'eau contenue initialement dans le produit). On remarque également qu'à 26 bars presque toute l'eau contenue dans la bentonite est éliminée. Il est donc a priori inutile d'essayer d'augmenter la pression P2.

[0039] La présente invention peut également être mise en oeuvre avec de la luzerne. Parmi les pratiques impliquant une conservation du fourrage de luzerne, la déshydratation industrielle est une alternative à l'ensilage et à la déshydratation au champ. La déshydratation permet de préserver au mieux les qualités initiales du fourrage. Ce procédé de transformation s'est fortement développé en France qui est devenu l'un des principaux producteurs de fourrage déshydraté en Europe. La production de luzerne déshydratée est actuellement de l'ordre de 12 à 15 tonnes de matière sèche par hectare et par an. Toutefois, le coût actuel de l'énergie pénalise fortement ce mode de traitement.

[0040] La déshydratation de la luzerne est actuellement réalisée par des procédés dits "en voie sèche", c'est-à-dire en mettant en oeuvre exclusivement un séchage thermique et conduisant à la valorisation du tourteau en alimentation animale, ou bien des procédés, dits "en voie humide". Ces derniers mettent en oeuvre une étape préalable de déshydratation par presse à vis. Ces procédés "en voie humide" permettent de séparer une phase aqueuse (jus vert), qui est riche en protéines et en pigments naturels. De tels procédés permettent donc d'obtenir d'une part le tourteau pour l'alimentation animale et d'autre part de valoriser le jus vert en alimentation animale ou humaine.

[0041] Le procédé selon l'invention permet d'augmenter le rendement de la séparation.

[0042] Pour l'application du procédé à de la luzerne, la durée de la première phase a été fixée à 4 heures. Celle de la seconde phase a été fixée quant à elle à 2 heures.

[0043] Sur les dessins, seuls les résultats de la séparation à l'issue de la phase 1 sont représentés. Il a été remarqué que la phase aqueuse (le jus vert) est principalement éliminée pendant la première phase du procédé et que seules de faibles quantités d'eau (jus vert) sont éliminées au cours de la seconde phase du procédé. Pour la luzerne, l'impact de la température est prépondérant comme le montre notamment la figure 4. On remarque ainsi que pour une température de 80°C, il est possible d'extraire 80% de l'eau contenue dans la luzerne.

[0044] La siccité est un paramètre utilisé pour indiquer le pourcentage massique de matière sèche contenue dans un produit. La siccité d'un produit est donc le rapport entre la masse sèche contenue dans ce produit et la masse totale du produit. Ici également, il s'agit d'un rapport inférieur à 1 qui est exprimé en pourcentage. La siccité peut être également considérée comme le rapport de la masse sèche du produit sur la somme de la masse sèche et de la masse d'eau de ce produit.

[0045] Il est intéressant ici de comparer le procédé selon l'invention avec un procédé classiquement utilisé pour déshydrater de la luzerne "en voie humide".

[0046] On suppose que la luzerne présente une siccité initiale de 20%. Des procédés classiques de pressage permettent d'obtenir une siccité de 32,5%. Après séchage dans un sécheur thermique, la siccité finale est d'environ 87%.

[0047] Avec le procédé de déshydratation selon l'invention, il est possible d'augmenter la siccité intermédiaire de la luzerne, avant son introduction dans un sécheur thermique. Les résultats obtenus en laboratoire montrent que l'on peut obtenir une siccité intermédiaire de 62,5% en utilisant un procédé de déshydratation mécanique assistée thermiquement selon l'invention. Ceci permet d'une part de séparer une quantité de liquide (jus vert) bien plus importante et d'autre part de limiter l'énergie nécessaire pour atteindre l'objectif de 87% de siccité dans un sécheur thermique.

[0048] En effet, si l'on raisonne sur la base d'une tonne de luzerne déshydratée à l'heure, avec les données indiquées plus haut, selon un procédé de l'art antérieur, la quantité de liquide (jus vert) séparé par voie mécanique (pour arriver à la siccité intermédiaire de 32,5%) s'élève à 380 kg/h et la quantité d'eau évaporée dans le sécheur thermique pour arriver à une siccité finale de 87% est de 390 kg/h.

[0049] En utilisant le procédé selon l'invention, en partant d'une siccité initiale de 20% pour arriver à une siccité finale de 87%, en passant par une siccité intermédiaire de 62,5%, la quantité de liquide (jus vert) produit est de 680 kg/h et la quantité d'eau évaporée dans le sécheur thermique est de 90 kg/h.

[0050] Cet exemple numérique (réaliste) illustre les gains qui peuvent être obtenus pour la déshydratation de la luzerne. Le gain massique en jus vert est de plus de 75% tandis que la quantité d'eau à évaporer est environ divisée par quatre.

[0051] La figure 7 montre l'influence de la température de chauffage sur la cinétique d'extraction de jus vert de luzerne. Le procédé mis en oeuvre pour l'obtention des deux courbes de la figure 7 comporte les étapes suivantes :

• déshydratation à faible pression et à température ambiante,
• déshydratation à faible pression et chauffage du piston, et
• incrément de la pression et maintien de la température du piston constante (par rapport à l'étape précédente).

[0052] Des expériences ont montré que pour obtenir un jus vert riche en protéines ainsi qu'un bon rendement, la température de la paroi chauffée était de préférence de l'ordre de 50°C.

[0053] La figure 8 illustre une filière de déshydratation du tourteau de luzerne. Deux étapes sont représentées ici : une première étape de déshydratation mécanique et une étape de séchage thermique. Avant la première étape, la siccité de la luzerne est S_initiale, entre les deux étapes elle est S_{intermédiaire} et après la seconde étape, elle est S_finale.

[0054] On considère que l'énergie fournie lors de la première étape est X₁, exprimée en kWh par tonne d'eau séparée et que l'énergie fournie lors de la seconde étape est X₂, exprimée en kWh par tonne d'eau séparée

[0055] La filière conventionnelle, selon l'art antérieur à la présente invention, comporte :

• une séparation mécanique, pour laquelle il est d'usage de considérer que la consommation énergétique d'un filtre presse est comprise entre 1 et 10 kWh par tonne d'eau séparée, c'est-à-dire que X₁ est compris entre 1 et 10. Une consommation de 10 kWh/t d'eau séparée a été retenue ici (soit X₁ = 10).
• un séchage thermique conventionnellement réalisé dans un sécheur de type four tournant. Le fluide caloporteur entre dans le four à une température de 700 à 800°C et ressort avec une température supérieure à 100°C. La consommation énergétique de ce type d'installation est estimée à environ 800 kWh/t d'eau évaporée, soit X₂ = 800. Il est connu ici d'utiliser par exemple un pré-sécheur à basse température, utilisant de l'air neuf à 70°C préchauffé dans un échangeur air/eau grâce à la condensation des buées sortant du four tournant. Un tel pré-sécheur a été développé pour réduire la consommation énergétique associée à la séparation thermique. La consommation globale du pré-sécheur et du four tournant est alors d'environ 580 kWh/t d'eau évaporée (X₂ = 580), la température d'entrée du fluide caloporteur dans le four tournant devant être abaissée à 400°C.

[0056] En supposant un débit de luzerne d'une tonne par heure, une siccité S_initiale de la plante de 20%, une siccité après déshydratation mécanique S_{intermédiaire} de 32.5% et une siccité finale S_finale après séchage thermique de 87%, la puissance consommée sur la filière conventionnelle s'élève à 312,25 kW pour la filière intégrant le four tournant et à 227,44 kW pour la filière intégrant le pré-sécheur en amont du four tournant. Ces résultats sur la filière globale peuvent également s'exprimer en terme de consommation spécifique, ce qui donne 405,45 kWh/t d'eau pour la filière intégrant le four tournant et 295,33 kWh/t d'eau pour la filière intégrant le pré-sécheur en amont du four tournant.

[0057] Dans une filière selon la présente invention, le filtre presse est remplacé par un dispositif mettant en oeuvre un procédé de déshydratation assisté thermiquement tel que décrit par exemple plus haut. La consommation d'énergie associée à cette séparation mécanique assistée thermiquement a été déterminée grâce au pilote de laboratoire décrit plus haut. Les valeurs sont reportées dans le tableau suivant pour différents températures de paroi du piston.

Tableau 1 Consommation énergétique du procédé de déshydratation assistée

Température de paroi (°C)	Consommation énergétique (kWh/t jus séparé)
50	121,08
70	150,83

[0058] Les valeurs dans ce tableau sont probablement un peu surévaluées.

[0059] Avec une base de calcul identique, à savoir un débit de luzerne d'une tonne par heure, une siccité initiale S_initiale de la plante de 20% et une siccité finale S_finale après séchage thermique de 87%, on obtient les consommations suivantes sur la filière selon la présente invention intégrant uniquement le four tournant :

Tableau 2 Consommation énergétique de la filière alternative intégrant une déshydratation mécanique assistée thermiquement et un séchage en four tournant

Température de paroi (°C)	Siccité intermédiaire Sintermédiaire (%)	Puissance consommée (kW)	Consommation spécifique (kWh/t)	Gain relatif par rapport à la filière conventionnelle
50	50,72	204,86	266	34,39
70	56,86	195,24	253,5	37,47

[0060] On peut noter ici qu'en récupérant l'énergie contenue dans les buées sortant du four tournant, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur, on peut encore diminuer la consommation d'énergie de la filière globale.

[0061] Les mêmes calculs effectués pour la filière selon l'invention en intégrant le pré-sécheur en amont du four tournant conduisent à :

Tableau 3 Consommation énergétique de la filière alternative intégrant une déshydratation mécanique assistée thermiquement et un pré-séchage à basse température en amont du four tournant

Température de paroi (°C)	Siccité intermédiaire (%)	Puissance consommée (kW)	Consommation spécifique (kWh/t)	Gain relatif par rapport à la filière conventionnelle
50	50,72	168,7	219	25,83
70	56,86	168,4	218,7	25,94

[0062] Dans cette configuration, l'énergie contenue dans les buées sortant du four tournant a déjà été valorisée. Les figures 5 et 6 concernent les résultats obtenues avec des boues de papeterie en utilisant le procédé selon l'invention. Ces figures correspondent aux figures 2 et 3 décrites en application à de la bentonite. La durée de la première phase est ici de 30 minutes tandis que la seconde phase dure 15 minutes.

[0063] La figure 5 montre que, pour des boues de papeterie, l'influence de la température est relativement faible pour la première phase. En effet, alors qu'à 25°C le pourcentage massique d'eau éliminée est de l'ordre de 66%, il n'est que d'environ 67,5% à 80°C.

[0064] La seconde phase est ici intéressante car elle permet d'éliminer de l'ordre de 15 à 20% d'eau supplémentaire. On remarque ici que plus la pression est importante, plus la quantité d'eau séparée est elle aussi importante. Sur la figure 6, on remarque une variation de quelques pourcents pour le passage d'une pression P2 de 7,3 bars à 10,7 bars.

[0065] Comme il ressort de la description qui précède, l'intérêt du procédé de déshydratation mécanique assistée thermiquement selon l'invention est avéré pour la déshydratation de bentonite et de plantes fourragères, telles la luzerne. Des applications dans le domaine agroalimentaire peuvent être envisagées. Le procédé décrit plus haut peut être utilisé pour des plantes, notamment des plantes ligneuses, des légumineuses herbacées, des tomates, des betteraves, etc.. Des sous-produits agricoles ou déchets verts, peuvent également être traités avec un procédé selon l'invention.

[0066] Dans le domaine minier, d'autres matériaux que la bentonite peuvent être traités. On peut ainsi appliquer le procédé selon l'invention à de la barytine, de la fluorine ou à divers minéraux argileux.

[0067] De manière générale, la présente invention peut être appliqué à toute biomasse en excluant toutefois de la définition qui suit le bois et les boues résiduaires ainsi que les boues d'eau potable.

[0068] Par biomasse on entend :

• le bois, sous forme de bûches, granulés et plaquettes ;
• les sous-produits du bois qui recouvrent l'ensemble des déchets produits par l'exploitation forestière (branchage, écorces, sciures...), par les scieries (sciures, plaquettes...), par les industries de transformation du bois (menuiseries, fabricants de meubles, parquets) et par les fabricants de panneaux ainsi que les emballages tels que les palettes ;
• les sous-produits de l'industrie tels les boues issues de la pâte à papier (liqueur noire) et les déchets des industries agroalimentaires (marcs de raisin et de café, pulpes et pépins de raisin etc.) ;
• les produits issus de l'agriculture traditionnelle (céréales, oléagineux), résidus tels que la paille, la bagasse (résidus ligneux de la canne à sucre) et les nouvelles plantations à vocation énergétique telles que les taillis à courte rotation (saules, miscanthus, etc.);
• les déchets organiques tels que les déchets urbains comprenant les boues d'épuration, les ordures ménagères, et les déchets en provenance de l'agriculture tels que les effluents agricoles. Dans l'art antérieur, de nombreux équipements ont été développés pour intensifier les procédés de déshydratation conventionnels. Toutefois, dans la pratique, les procédés développés répondent globalement à une problématique différente de celle de la présente invention, puisqu'il s'agit fondamentalement de procédés de séchage. La plupart des procédés connus reposent sur la technologie du filtre presse. Cette technologie facilite la mise en place d'un dispositif de chauffage. En effet, un filtre presse comporte des plateaux creux permettant la circulation d'un fluide caloporteur. Néanmoins, les plateaux du filtre presse étant disjoints, la circulation du fluide caloporteur dans chacun des plateaux rend l'installation compliquée. En outre, les conditions d'utilisation visent à sécher par contact le gâteau après l'avoir déshydraté mécaniquement. Des problèmes de collage (cuisson) du gâteau de filtration apparaissent couramment sur les plateaux chauffants et empêchent, ou ralentissent, la vidange du filtre presse. Pour abaisser alors la température de fonctionnement, un vide partiel doit être réalisé. L'inconvénient majeur de cette technologie de l'art antérieur réside dans son fonctionnement batch. Une technologie mettant en oeuvre un filtre à bandes a été mis au point dans le cadre du séchage impulsionnel par les papetiers qui maîtrisent bien cette technique pour la fabrication du papier. L'apport de chaleur est plus difficile à implémenter car la rotation des rouleaux rend compliquée la circulation de fluides caloporteurs pour les chauffer. Une alternative consiste cependant à réaliser un chauffage par induction. Un autre inconvénient concerne la compacité du procédé puisque le produit est disposé en couche mince d'épaisseur inférieure à 1 mm.

[0069] Par opposition, la présente invention, dans ce mode de réalisation préféré, repose sur deux étapes de séparation assistées thermiquement : une première étape, de filtration ou de compression selon le matériau déshydraté, à basse pression (de l'ordre de 3 bars dans un mode de réalisation préféré) suivie d'une étape de séparation à plus haute pression, la température du piston restant constante.

[0070] Dans un tel procédé selon l'invention, la première étape permet de séparer à moindre coût une grande quantité de liquide. Pendant la seconde phase de séparation, un gain de siccité important peut être espéré, selon les produits déshydratés, même à faible pression (de l'ordre de 7 bars). Par ailleurs, la séparation est plus rapide qu'à température ambiante.

[0071] Pour passer à un procédé en continu, compte tenu des pressions à mettre en oeuvre, la technologie de la presse à vis peut être utilisée dans la présente invention. Comme déjà évoqué plus haut, il est possible de chauffer non seulement les pièces exerçant une pression mais également les autres parois en contact avec le produit à déshydrater. Ce chauffage peut être réalisé à l'aide de résistances électriques mais également en utilisant un fluide caloporteur (huile thermique, eau chaude, vapeur, air chaud, buées issues d'un sécheur...).

[0072] La présente invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits ci-dessus à titre d'exemples non limitatifs et aux variantes évoquées. Elle concerne également les autres variantes et applications à la portée de l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.

Revendications

1. Procédé de déshydratation mécanique assistée thermiquement dans lequel un produit à déshydrater est introduit dans un dispositif de filtration et/ou de compression, dans lequel un apport de chaleur est réalisé, et qui comporte une première étape à une première pression inférieure à 7 bars au cours de laquelle le produit à déshydrater est chauffé à une température inférieure à la température d'évaporation du liquide à éliminer et le liquide à éliminer est récupéré au fur et à mesure,
caractérisé en ce que cette première étape a une durée comprise entre 5 minutes et plusieurs heures, et en ce que cette première étape à une première pression est suivie d'une seconde étape à une seconde pression, cette seconde pression étant supérieure à la première pression et inférieure à 30 bars.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première pression est comprise entre 1,5 et 4 bars.

3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif de filtration et/ou compression comporte une enceinte (2, 4) présentant une paroi dont une partie au moins est chauffée, et en ce que le produit à déshydrater est chauffé par conduction à partir de la partie chauffée de la paroi.

4. Procédé selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la seconde étape est réalisée à température inférieure à la température d'évaporation du liquide à extraire.

5. Procédé selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que dans la seconde étape la partie chauffée de la paroi reste à température sensiblement constante, cette température correspondant à la température de ladite partie chauffée de la paroi dans le dispositif de filtration et/ou de compression à la fin de la première étape de compression.

6. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 5, caractérisé en ce que le liquide à éliminer contient majoritalrement de l'eau, et en ce que la partie chauffée de la paroi est portée à une température comprise entre 40°C et 90°C dans la première étape.

7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte avant la première étape une étape de déshydratation à température ambiante, sans apport de chaleur, à une pression correspondant à la première pression et au cours de laquelle le liquide à éliminer est récupéré au fur et à mesure.

8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est appliqué au prétraitement d'une biomasse humide, à l'exclusion du bois.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la biomasse humide subit une étape finale de séchage thermique dans un sécheur, en ce que le sécheur est muni d'un échangeur de chaleur en sortie, et en ce que l'énergie des buées récupérée dans l'échangeur de chaleur est au moins partiellement utilisée pour réaliser un chauffage lors des étapes précédentes du procédé.

10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est appliqué à la déshydratation de déchets liquides ou pâteux, à l'exclusion des boues résiduaires urbaines et des boues d'eau potable.

11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'Il est appliqué à l'extraction de jus vert à partir d'une biomasse humide, à l'exclusion du bois.

12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la température de la paroi chauffée reste inférieure à 60°C.

Claims

1. A method of thermally assisted mechanical dehydration in which a product to dehydrate is introduced into a filtration and/or compression device, in which a provision of heat is supplied, and which comprises a first step at a first pressure of less than 7 bars during which the product to dehydrate is heated to a temperature less than the evaporation temperature of the liquid to eliminate and the liquid to eliminate is progressively collected,
characterized in that this first step is of a duration comprised between 5 minutes and several hours, and in that this first step at a first pressure is followed by a second step at a second pressure, this second pressure being greater than the first pressure and less than 30 bars.

2. A method according to claim 1, characterized in that the first pressure is comprised between 1.5 and 4 bars.

3. A method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the filtration and/or compression device comprises a chamber (2, 4) having a wall at least part of which is heated, and in that the product to dehydrate is heated by conduction from the heated part of the wall.

4. A method according to claims 1 to 3, characterized in that the second step is carried out at a lower temperature than the evaporation temperature of the liquid to extract.

5. A method according to claims 3 and 4, characterized in that in the second step the heated part of the wall remains at a substantially constant temperature, that temperature corresponding to the temperature of said heated part of the wall in the filtration and/or compression device at the end of the first compression step.

6. A method according to one of claims 3 or 5, characterized in that the liquid to eliminate mainly contains water, and in that the heated part of the wall is brought to a temperature comprised between 40°C and 90°C in the first step.

7. A method according to one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises before the first step a dehydration step at ambient temperature, without provision of heat, at a pressure corresponding to the first pressure and during which the liquid to eliminate is progressively collected.

8. A method according to one of claims 1 to 7, characterized in that it is applied to the pretreatment of a moist biomass, excluding wood.

9. A method according to claim 8, characterized in that the moist biomass undergoes a final step of thermal drying in a dryer, in that the dryer is provided with a heat exchanger at the output, and in that the energy of the vapors collected in the heat exchanger is at least partially used to perform heating during the preceding steps of the method.

10. A method according to one of claims 1 to 7, characterized in that it is applied to the dehydration of liquid or pasty waste, excluding residual municipal sludge and drinking water sludge.

11. A method according to one of claims 1 to 7, characterized in that it is applied to the extraction of green juice from a moist biomass, excluding wood.

12. A method according to claim 11, characterized in that the temperature of the heated wall remains below 60°C.

Ansprüche

1. Verfahren zur mechanischen Dehydrierung mit Wärmeunterstützung, wobei ein zu dehydrierendes Produkt in eine Filtrations- und/oder Kompressionsvorrichtung eingeführt wird, wobei eine Wärmezufuhr durchgeführt wird, und wobei das Verfahren einen ersten Schritt bei einem ersten Druck von unter 7 Bar umfasst, in dessen Verlauf das zu dehydrierende Produkt auf eine Temperatur unter der Verdampfungstemperatur der zu eliminierenden Flüssigkeit erhitzt wird und die zu eliminierende Flüssigkeit nach und nach rückgewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass dieser erste Schritt eine Dauer zwischen 5 Minuten und mehreren Stunden aufweist und dass auf diesen ersten Schritt bei einem ersten Druck ein zweiter Schritt bei einem zweiten Druck folgt, wobei dieser zweite Druck höher als der erste Druck und niedriger als 30 Bar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druck zwischen 1,5 und 4 Bar beträgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtrations- und/oder Kompressionsvorrichtung einen Behälter (2, 4) umfasst, der eine Wand aufweist, wobei mindestens ein Teil davon erhitzt wird, und dass das zu dehydrierende Produkt durch Wärmeleitung ausgehend von dem erhitzten Teil der Wand erhitzt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schritt bei einer Temperatur durchgeführt wird, die niedriger als die Verdampfungstemperatur der zu entziehenden Flüssigkeit ist.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Schritt der erhitzte Teil der Wand auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur bleibt, wobei diese Temperatur der Temperatur des erhitzten Teils der Wand in der Filtrations- und/oder Kompressionsvorrichtung am Ende des ersten Kompressionsschritts entspricht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zu eliminierende Flüssigkeit hauptsächlich Wasser enthält und dass der erhitzte Teil der Wand im ersten Schritt auf eine Temperatur zwischen 40°C und 90°C gebracht wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es vor dem ersten Schritt einen Dehydrierungsschritt bei Umgebungstemperatur ohne Wärmezufuhr bei einem Druck umfasst, der dem ersten Druck entspricht, wobei im Verlauf dieses Schritts die zu eliminierende Flüssigkeit nach und nach rückgewonnen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Vorbehandlung einer feuchten Biomasse mit Ausnahme von Holz angewendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die feuchte Biomasse einem abschließenden Schritt der thermischen Trocknung in einem Trockner unterzogen wird, dass der Trockner am Ausgang mit einem Wärmetauscher versehen ist und dass die im Wärmetauscher rückgewonnene Energie der Kondensate wenigstens teilweise zur Erhitzung während der vorhergehenden Verfahrensschritte verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Dehydrierung von flüssigen oder teigigen Abfällen mit Ausnahme von städtischem Klärschlamm und Trinkwasserschlamm angewendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Extraktion von Grünsaft aus einer feuchten Biomasse mit Ausnahme von Holz angewendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der erhitzten Wand unter 60°C bleibt.

Dessins