Soutenance mémoire
VALORISATION ÉNERGÉTIQUE DE LA BIOMASSE LIGNOCELLULOSIQUE
Valorisation énergétique de la biomasse lignocellulosique
L’objectif de ce chapitre est, tout d’abord, de décrire le contexte énergétique mondial afin de
mieux cerner la nécessité d’un développement des énergies d’origine renouvelable, et en particulier de la biomasse-énergie. Le second objectif sera ensuite de décrire la torréfaction en tant qu’opération de prétraitement de la biomasse lignocellulosique.
La nécessité d’une transition énergétique mondiale et le positionnement de la biomasse énergie seront donc présentés. La biomasse lignocellulosique, sa composition chimique et ses limites seront ensuite détaillées. Enfin, la torréfaction de biomasse lignocellulosique sera décrite.
Espèces condensables de torréfaction : étude bibliographique
Dans le chapitre précédent, les principes et mécanismes de la torréfaction, ainsi que les propriétés du solide torréfié et des gaz incondensables ont été présentés. Les espèces condensables de torréfaction font l’objet du présent chapitre.
Les espèces condensables de torréfaction n’ont pas de définition communément acceptée.
Elles peuvent être définies par opposition aux gaz permanents, comme des composés organiques volatils qui condensent lorsqu’ils sont refroidis à une température proche de la température ambiante. Par analogie avec les autres procédés thermiques, les espèces condensables de torréfaction correspondent aux composés organiques volatils issus du séchage, aux huiles de pyrolyse et aux goudrons de gazéification. Bien entendu, les compositions sont différentes suivant les conditions opératoires mises en œuvre dans chaque procédé.
La composition des espèces condensables de torréfaction telle que décrite dans la littérature
sera présentée. Puis les mécanismes de formation des condensables et de dégradation du solide associés seront examinés. Enfin, les méthodes de récupération et d’analyse susceptibles d’être appliquées aux espèces condensables seront détaillées. L’objectif de ce chapitre est donc d’identifier, d’une part, les informations manquantes sur la caractérisation des condensables, et d’autre part, les méthodes analytiques permettant d’y remédier.
Caractérisation des produits de torréfaction de biomasses lignocellulosiques : étude en lit fixe à l’échelle laboratoire
L’étude bibliographique a mis en lumière le peu d’informations relatives aux espèces condensables issues de torréfaction de biomasse lignocellulosique.
Pour combler ce manque, une étude expérimentale a été menée à l’échelle laboratoire, sur un réacteur à lit fixe appelé Aligator.
Les objectifs de ces essais sont :
– de réaliser l’analyse qualitative et quantitative la plus complète possible des espèces condensables de torréfaction ;
– d’évaluer l’influence de la température et de la nature de la biomasse sur les rendements et propriétés des produits de torréfaction, en particulier des condensables.
Dans ce chapitre, les propriétés des quatre biomasses seront déterminées. Puis, le réacteur de
torréfaction sera caractérisé. Le protocole expérimental et les dispositifs d’analyse des produits seront décrits puis mis en œuvre pour les caractériser. Une attention particulière sera portée sur l’analyse des espèces condensables. Trois températures de torréfaction – 250, 280 et 300 °C – seront étudiées.
Conception, amélioration et caractérisation d’un réacteur de torréfaction en continu à l’échelle pilote
Le chapitre précédent était consacré à la torréfaction à l’échelle laboratoire. L’étude expérimentale menée a permis une analyse détaillée des espèces condensables. Néanmoins, les quantités produites ne sont pas suffisantes pour des expériences de séparation et purification en vue d’une valorisation chimique. Pour cela, un changement d’échelle est nécessaire : c’est l’objet de ce chapitre.
L’étude de la torréfaction et de la récupération des espèces condensables à l’échelle pilote s’inscrit dans la tâche 5 du projet INVERTO.
Les objectifs de ce chapitre sont les suivants :
– concevoir, améliorer et caractériser un réacteur de torréfaction à l’échelle pilote.
Celui-ci devra répondre à un cahier des charges détaillé ci-après ;
– concevoir et assembler un système de récupération fractionnée des condensables.
Celui-ci est dimensionné en partenariat avec le Laboratoire de génie chimique (LGC),
qui étudie la séparation et la purification des espèces chimiques en mélange
Torréfaction et récupération fractionnée des espèces condensables à l’échelle pilote
Des expériences de torréfaction de biomasses lignocellulosiques à l’échelle pilote sont menées. Deux séries d’expériences de torréfaction sont réalisées :
i. sur le pin, le frêne, le miscanthus et la paille de blé, à 300 °C pendant 20 min ;
ii. sur le frêne, à 350 °C pendant 6 min, et à 300 °C pendant 12 min.
Les objectifs de la première série d’expériences sont les suivants :
– montrer la faisabilité de la torréfaction et récupération des espèces condensables à l’échelle pilote ;
– récupérer les espèces condensables par condensation étagée et analyser la composition chimique de chaque fraction ;
– évaluer l’influence de la nature de la biomasse sur les rendements et propriétés des produits de torréfaction, en particulier des espèces condensables.
Quant à la deuxième série d’expériences, son objectif est de comparer les propriétés et rendements des produits de torréfaction rapide (350 °C) à ceux de torréfaction lente (300 °C), à perte de masse égale30 .
Pour toutes les expériences, les biomasses ont été séchées à 60 °C pendant 48 h. De la même
façon qu’à l’échelle laboratoire, tous les bilans et rendements sont calculés sur base sèche à 60 °C.
Tout d’abord, les biomasses étudiées seront présentées. Puis, le protocole d’analyse des produits, mis au point à l’échelle laboratoire, sera adapté et détaillé. Enfin, pour chaque série d’expériences, les bilans massiques et élémentaires seront déterminés. Puis les biomasses torréfiées et les gaz condensables et incondensables seront analysés.
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Table des matières
AVANT-PROPOS
REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIÈRES
NOMENCLATURE
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 VALORISATION ÉNERGÉTIQUE DE LA BIOMASSE LIGNOCELLULOSIQUE
1.1. Introduction
1.2. Transition énergétique et positionnement de la biomasse-énergie
1.2.1. Contexte énergétique : des problématiques globales et locales
1.2.2. Ressources et procédés de valorisation énergétique de biomasse
1.3. Biomasse lignocellulosique
1.3.1. Définitions et classification
1.3.2. Composition chimique de la biomasse lignocellulosique
1.3.3. Inconvénients de la biomasse lignocellulosique
1.4. Torréfaction de biomasse lignocellulosique
1.4.1. Introduction
1.4.2. Principe et étapes de la torréfaction
1.4.3. Bilan matière
1.4.4. Propriétés des produits de torréfaction
1.4.5. Cinétique de perte de masse du solide
1.5. Technologies de torréfaction
1.5.1. Torréfaction à l’échelle industrielle et du démonstrateur
1.5.2. Torréfaction à l’échelle pilote
1.6. Synthèse et conclusion
CHAPITRE 2 ESPÈCES CONDENSABLES DE TORRÉFACTION : ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE
2.1. Introduction
2.2. Composition des espèces condensables de torréfaction
2.2.1. Espèces identifiées
2.2.2. Teneurs et quantification des espèces condensables
2.3. Mécanismes et cinétiques de formation des espèces condensables et incondensables
2.3.1. Espèces formées par dégradation de la cellulose
2.3.2. Espèces formées par dégradation des hémicelluloses
2.3.3. Espèces formées par dégradation de la lignine
2.3.4. Espèces formées par dégradation de tous les constituants
2.3.5. Influence des minéraux
2.3.6. Cinétique de formation des espèces condensables et incondensables
2.4. Méthodes de récupération et d’analyse des condensables de torréfaction
2.4.1. Revue des études des espèces condensables de torréfaction
2.4.2. Méthodes de récupération des condensables
2.4.3. Analyse par chromatographie en phase gazeuse
2.4.4. Analyse par chromatographie en phase liquide
2.4.5. Analyse en phase gazeuse
2.4.6. Conclusion
2.5. Synthèse et conclusion
CHAPITRE 3 CARACTÉRISATION DES PRODUITS DE TORRÉFACTION DE BIOMASSES LIGNOCELLULOSIQUES : ÉTUDE EN LIT FIXE À L’ÉCHELLE LABORATOIRE
3.1. Introduction et objectifs
3.2. Biomasses, réacteur et dispositifs d’analyse
3.2.1. Biomasses étudiées
3.2.2. Réacteur de torréfaction Aligator
3.2.3. Dispositifs d’analyse des gaz condensables et incondensables
3.2.4. Analyse des phases adsorbantes
3.3. Résultats et discussion
3.3.1. Bilans
3.3.2. Analyse des biomasses torréfiées
3.3.3. Analyse des gaz incondensables
3.3.4. Analyse des espèces condensables
3.4. Conclusion et perspectives
CHAPITRE 4 CONCEPTION, AMÉLIORATION ET CARACTÉRISATION D’UN RÉACTEUR DE TORRÉFACTION EN CONTINU À L’ÉCHELLE PILOTE
4.1. Introduction et objectifs
4.2. Cahier des charges
4.2.1. Spécifications relatives à la torréfaction du solide
4.2.2. Spécifications relatives aux espèces condensables et incondensables
4.3. Description du réacteur
4.1. Caractérisation du réacteur de torréfaction
4.1.1. Préparation des biomasses
4.1.2. Doseur pondéral et débit massique de biomasse
4.1.3. Atmosphère gazeuse du réacteur
4.1.4. Vitesse et temps de séjour des gaz
4.1.5. Temps de séjour de la biomasse
4.1.6. Durée de mise en régime thermique du réacteur
4.1.7. Profils de température du tube réacteur
4.1.8. Influence du débit de N2
4.1.9. Influence du taux de remplissage du réacteur
4.2. Conception et assemblage du système de récupération des espèces condensables
4.2.1. Objectifs
4.2.2. Conception du système de récupération des espèces condensables
4.2.3. Assemblage du système de récupération des espèces condensables
4.3. Synthèse et conclusion
CHAPITRE 5 TORRÉFACTION ET RÉCUPÉRATION FRACTIONNÉE DES ESPÈCES CONDENSABLES À L’ÉCHELLE PILOTE
5.1. Introduction et objectifs
5.2. Biomasses étudiées et adaptation du protocole d’analyse des produits
5.2.1. Biomasses étudiées
5.2.2. Adaptation du protocole d’analyse des produits
5.3. Protocole expérimental
5.4. Torréfaction de pin, frêne, miscanthus et paille de blé
5.4.1. Introduction
5.4.2. Conditions opératoires
5.4.3. Bilans
5.4.4. Analyse des produits de torréfaction
5.4.5. Synthèse
5.5. Torréfactions lente et rapide
5.5.1. Introduction
5.5.2. Conditions opératoires et bilans matière
5.5.3. Comparaison des produits de torréfaction lente et rapide
5.5.4. Synthèse
5.6. Conclusion et perspectives
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
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