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Morphologie du bambou
Le bambou présente différentes parties caractéristiques (Figure 1) : la tige généralement de grande taille qui sont des chaumes, les feuilles et les branches et les racines qui comprennent les racines et les rhizomes (12).
La tige principale du bambou est un « chaume » ou canne, lignifié, fistuleux (c’est-à-dire en tube), et formé par des sections creuses, ou « entre-noeuds », séparés par des diaphragmes formant ainsi les noeuds (13). Les différentes espèces de bambou se différencient par les caractéristiques de ces chaumes à savoir leur taille, leur forme et leur couleur. Les bambous possèdent deux types de rhizomes ou aussi tiges souterraines qui sont distingués selon leur mode de croissance.
Le premier est dit rhizome leptomorphe vue que les entre-noeuds sont longs et minces, et dont la croissance se fait, presque exclusivement, à l’horizontale, ou monopodiale. Les bambous pourvus de ces rhizomes leptomorphes sont dits traçants car ils ont tendance à s’étendre en surface. La deuxième est le rhizome pachymorphe qui comporte des entre-noeuds courts et plus ou moins épais. La croissance n’est horizontale que sur quelques centimètres et dite sympodiale. Les bambous pourvus de ces rhizomes pachymorphes restent contenus en touffe serrée, ils ne s’étendent pas en surface comme les traçants.
On dit qu’ils sont « cespiteux » à partir des noeuds se développement les ramifications qui portent les feuilles et parfois les fleurs. Chaque année, de nouvelles ramifications poussent à partir des noeuds des dernières ramifications, ainsi le nombre de ramifications à chaque noeud peut, parfois, permettre l’identification de l’âge des espèces. Puis, les feuilles s’insèrent aux ramifications via un fourreau engainant qui est relié au limbe par un pétiole très court. Ces feuilles de bambou ont une nervure principale très marquée et des nervures secondaires parallèles ; elles sont de différentes formes et couleurs selon l’espèce (14) (15) (16).
Caractéristiques techniques et anatomique des tiges de bambou
La composition chimique du bambou est similaire à celle du bois. Les principaux constituants des chaumes, pour 90% de leur masse, sont : la cellulose, l’hémicellulose et la lignine. Une différence par rapport au bois est qu’il contient plus d’extraits alcalins, de cendres et de silice ainsi que des minéraux.
Le bambou contient également de l’amidon, des protéines et des glucides. Ces derniers jouent un rôle important dans sa durabilité. La résistance du bambou contre les moisissures, les champignons et les insectes est fortement liée à sa composition chimique.
Les propriétés chimiques du bambou varient avec son âge et sont en corrélation avec ses propriétés physiques et mécaniques (18).
Propriétés physiques et mécaniques
Les celluloses sont la principale source de propriétés mécaniques du bambou et du bois. Sa structure moléculaire est définie par trois plans perpendiculaires. Le premier est constitué de nombreuses et fortes liaisons hydrogènes, le second par de plus faibles forces ≪ Van der Waals ≫ et le troisième par des liens covalents. L’observation de cette structure explique l’anisotropie du comportement de ce matériau. La résistance à la traction de la cellulose est évaluée à 8000 MPa. Le chaume est constitué de 55% de cellules de stockage ou parenchyme, pour la fonction chimique, de 35% de fibres pour la résistance, de 10% de tissus conducteurs d’eau et de sucre. Le bambou est donc en quelque sorte un matériau composite constitué de fibres cellulosiques dans une matrice ligneuse. Le pourcentage de fibres est plus élevé dans les parties extérieures et inferieures du chaume. En voici une coupe transversale (figure 3).
Méthode par pyrolyse (30,31)
C’est le procédé en vase clos qui était utilisé à l’époque où la distillation du bois produisait l’acide acétique appelé alors acide pyroligneux, le méthanol appelé aussi « esprit de bois » et divers produits chimiques. Le charbon de bois n’était pas le but premier de l’opération mais plutôt un sous-produit.
La carbonisation de 100 kg de bois dans ce type de four permet d’obtenir :
25 kg de charbon de bois.
0,75 kg d’alcool méthylique.
1 kg d’acide acétique.
4 kg de goudron de bois.
45,95 kg d’eau.
23 kg de gaz combustible.
Mais les résultats dépendent de la qualité de bois et les conditions de transformations. Les résultats obtenus sont fortement dépendants des espèces de bois utilisées et des conditions de transformation.
En 1875, l’ingénieur métallurgiste Grüner notait : « Lorsqu’il a été préparé vers 350 à 400°C et par calcination lente, il est d’un beau noir pur, sonore, dur tachant peu les doigts. Préparé à une température inférieure, il est plus ou moins brun, peu sonore et tendre, mais plus tenace que le charbon noir ; c’est une sorte de charbon roux, que les ouvriers désignent sous le nom de « fumerons » ou de « brûlot », parce qu’il brûle avec fumée et flamme plus ou moins éclatante.
Un charbon trop cuit, ou plutôt partiellement brûlé par l’action de l’air passe à l’état de braise ; il est alors fendillé, tendre, friable, tachant les doigts, d’un noir ferme dans les cassures fraîches. »
Production industrielle moderne
La production industrielle est de plus en plus effectuée dans des fours. Un des enjeux contemporains est d’en limiter ou éviter les rejets dans le milieu naturel et d’utiliser des matières organiques qui n’augmentent pas la pression sur les forêts, tropicales et primaires notamment.
Les types de presse pour les briquettes combustibles (32, 33, 34,35)
En général, on trouve souvent les presses à piston, les presses à vis et les presses à granuler. Elles se diffèrent fondamentalement par leur principe de fonctionnement, leurs exigences technologiques vis-à-vis de la matière et les caractéristiques des produits obtenus. Ces exigences technologiques supposent donc une préparation préalable des matières notamment par broyage et par séchage.
Ce sont également les technologies utilisées en production industrielle des bûchettes et des granulés dans les pays développés. Il existe des variantes au sein d’une même catégorie de presse qui diffèrent entre autres par la capacité de production, la masse, les tolérances vis-à-vis de la matière première.
Pour la compression sans liant, deux paramètres importants sont intervenues :
– la granulométrie.
– l’humidité.
Une granulométrie adéquate permet l’automatisation du système permettant ainsi d’obtenir une forte capacité de production mais aussi et surtout d’obtenir de bons produits. Une taille de particules supérieure à celle exigée par la presse obture le système de chargement et affecte la solidité des produits.
Une humidité trop élevée provoque une accumulation de vapeur d’eau altérant le système de chargement et quelquefois provoque l’éjection de la briquette dans une presse à vis ou l’éclatement de la briquette, voire du moule, dans une presse à piston.
Presses à piston
C’est un système de compression muni d’un piston équipé d’une tête de poussée et animé d’un mouvement de va-et-vient compactant la matière dans un cylindre prolongé par un canal de refroidissement dont la longueur peut atteindre 5 à 10 m et qui empêche le gonflement et la destruction des briquettes sous la pression interne de la vapeur d’eau produite lors de l’échauffement de la matière.
Le piston reçoit l’énergie d’un moteur (électrique ou à explosion) à travers un système hydraulique à haute pression ou bien grâce à un volant d’inertie. Les briquettes produites sont reconnaissables de par l’existence des interfaces de coups de piston.
Presses à Vis
Dans les presses à vis, la biomasse est extrudée en continu grâce à une ou plusieurs vis rotatives à travers un moule de forme effilée. Les effets associés de la friction causée à la paroi du récipient et de la chaleur due à la friction interne dans la rotation du matériau et de la vis (600 tours/min) provoquent une augmentation de la température (avoisinant le 200°C) dans le système qui aide le réchauffement de la biomasse. Les briquettes qui en résultent sont facilement reconnaissables par l’existence d’un trou central obtenu grâce à un axe situé au centre de l’orifice d’extrusion.
Presses à granuler
La presse à granuler possède une histoire plus récente dans le domaine de la densification à des fins énergétiques. Jusqu’en 1960, cette presse a été réservée exclusivement à la fabrication d’aliments pour le bétail. La matière est comprimée dans une matrice annulaire fixe munie de plusieurs filières grâce à un, deux ou trois rouleaux animés d’un mouvement rotatif.
A l’inverse, une autre variante propose une matrice annulaire tournant à grande vitesse alors que les rouleaux sont fixes. Une dernière variante utilise un disque horizontal (matrice à plateau) fixe dont la face supérieure est parcourue par des rouleaux. Ces rouleaux presseurs ont pour mission de distribuer la matière de manière uniforme à l’intérieur de la matrice et d’assurer une répartition régulière de la pression.
Les pressions de friction qui entrent en jeu sont de l’ordre de 100-150 [MPa], 200 [MPa] et provoquent une élévation de température de l’ordre de 163 à 176 °C, 179 à 193 °C.
L’apport de vapeur d’eau permet la lubrification et facilite la granulation qui, rappelons-le, se fait sans ajout d’agent de liaison, la lignine du bois jouant ce rôle. A leur sortie de la filière, à l’aide de couteaux ajustables, les granulés sont coupés à la longueur souhaitée puis dirigés vers un refroidisseur, tamisés afin de séparer les fines et enfin stockés.
Caractérisation énergétique
La teneur en matière minérale représente la quantité de matière résiduelle obtenue en fin de combustion, on parle également du taux de cendres pour une combustion complète. Ce paramètre est un critère de qualité d’un combustible.
Pour la détermination de la teneur en cendres, l’échantillon doit être plus fin, le principe est l’incinération de l’échantillon à l’abri de l’air à 950°C jusqu’à une masse constante de résidu obtenu. Le protocole de détermination est à l’Annexe.
X% : teneur en cendre en pourcentage en masse [%].
𝒙%= (𝒎𝟑−𝒎𝟏).𝟏𝟎𝟎𝒎𝟐−𝒎𝟏 [IV].
m1 : masse du creuset à vide [g].
m2 : masse de la prise d’essai avec du creuset [g].
m3 : masse de la cendre avec du creuset après calcination [g].
Préparation du liant
Pour assurer l’adhésion entre les particules de charbon de sciures de bambou et la solidité des briquettes combustibles, un liant a été ajouté. Dans cette étude, la fécule de manioc a été choisie comme liant.
Nous avons versé une quantité d’eau bien définie dans le réacteur en chauffant progressivement jusqu’à ce que la température atteigne 70°C puis nous y avons ajouté une quantité suffisante de fécules de manioc. Après agitation, nous observons la formation d’une solution très visqueuse qui est l’empois d’amidon dans le milieu réactionnel et après refroidissement l’ajout d’hydroxyde de sodium rend la solution moins visqueuse. Une fois que la solution désirée sera obtenue, nous la mélangeons avec des pâtes de déchets cellulosiques jusqu’à une formation de ouate de cellulose et nous avons obtenu le liant amélioré à base de fécules de manioc.
Mélangeage des sciures calcinées avec son liant
Durant notre expérience au laboratoire pour le mélange de ces constituants (sciures de bambou et liant), nous avons utilisé une cuvette pour faire le mélange ; et les liants préalablement préparés sont versés en premier lieu dans ce cuvette avec dosage bien défini suivi d’une agitation lente à l’aide d’un agitateur électrique muni d’une hélice à 4 pales dont l’action est de rendre le mélange homogène puis les sciures de proportions connues sont versés en second lieu en augmentant la vitesse de l’agitateur. En tenant compte que l’eau apportée par les liants est suffisant pour bien mélanger l’ensemble.
Caractérisation des briquettes combustibles
La performance des briquettes est déterminée à partir des paramètres physico-chimiques tels que l’analyse immédiate et du pouvoir calorifique. L’objectif est de pouvoir dégager une comparaison avec d’autres combustibles qui sont utilisés à Madagascar.
Pouvoir calorifique
Le pouvoir calorifique d’un combustible représente la quantité d’énergie contenue dans une unité de masse de ce combustible. Elle s’exprime en terme d’énergie par unité de masse (pour les solides : MJ/Kg) et par unité de volume (pour les gaz : MJ/m3).
On parle de « pouvoir calorifique inférieur (PCI) », lorsque la combustion s’effectue à une pression constante c’est-à-dire à l’air libre. C’est à dire que la chaleur latente (qui est difficilement récupérable) de la vapeur d’eau n’est pas récupérée à ce moment (37). C’est cette valeur du PC qui est récupérable comme énergie par l’utilisateur.
Principe de mesure : Le PCI est déterminé à l’aide d’une bombe peut être calculé avec une approximation suffisante par la formule suivante : PC (Kcal/Kg) = 80 (100 – K).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I: MATERIELS
I-1 LE BAMBOU
I-1-1 Définition et généralité
I-1- 2 Morphologie du bambou
I-1-3 Caractéristiques techniques et anatomique des tiges de bambou
I-1-3-1 Propriétés chimiques
I-1-3-2 Propriétés physiques et mécaniques
I-1-3-3 Anatomie du bambou
I-1-4 Utilisation du bambou
I -1-5 Présentation de l’espèce étudiée
I-2 Les matériels utilisés pour la calcination et la densification des sciures de bambou
I-2-1 Liant
I-2-2 Méthodes de production du charbon
I-2-3 Les types de presse pour les briquettes combustibles
I-2-3-1 Presses à piston
I-2-3-2 Presses à Vis
I-2-3-3 Presses à granuler
CHAPITRE II: METHODOLOGIE
II-1 Descente sur terrain
II-2 Analyse au laboratoire
II-2-1 Les propriétés physiques des sciures de bambou utilisées
II-2-2 Caractérisation énergétique
II-3 Production de briquette
II-3-1 Briquette de charbon de bambou
II-3-1-1 Procédé de fabrication de la briquette de charbon
II-3-1-2 Autres : Procédé de valorisation des résidus de bambou charbon de bambou
II-3-2 Briquette de sciures de bambou
II-3-3 Caractérisation des briquettes combustibles
II-3-3-1 Pouvoir calorifique
II-3-3-2 Taux d’humidité
II-3-3-3 Taux de matière volatile
II-3-3-4 Taux de cendre
II-3-3-5 Taux de carbone fixe
II-3-4 Test de combustion
CHAPITRE III: RESULTATS ET DISCUSSIONS
III-1 Les analyses aux laboratoires
III-1-1 Les propriétés physiques des sciures de bambou
III-1-2 Caractérisation énergétique
III-2 Tests physico-chimiques des briquettes combustibles
II-2-1 Humidité
II-2-2 Taux de matières volatiles, taux de cendres et taux de carbone fixe
II-2-3 Pouvoir calorifique
III-3 Tests de combustion
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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