Influence d'un champ acoustique dans la cinétique de dégradation thermochimique pendant la torréfaction de la biomasse

Acoustic field influence in the kinetics of thermochemical degradation during biomass torrefaction

• Auteur / Autrice : Edgar Silveira
• Direction : Anélie Pétrissans, Patrick Rousset, Armando Caldeira-Pires
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences du bois et des fibres
• Date : Soutenance le 24/05/2018
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Universidade de Brasília
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LERMAB - Laboratoire d'Études et de Recherche sur le MAtériau Bois (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anélie Pétrissans, Thierry Duvaut, Divino Eterno Texeira
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Duvaut, Divino Eterno Texeira

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique chimique

Décomposition (chimie)

Pression acoustique

Torréfaction de la biomasse

Mots clés libres

Biomasse

Torréfaction

Acoustique

Cinétique

Propriétés énergétiques

Biomass

Torrefaction

Acoustic

Kinetics

Energy properties

Biomassa

Torrefação

Acústica

Cinética

Propriedades energéticas

Résumé

Considérée comme une forme douce de la pyrolyse, la torréfaction apparaît comme une alternative au traitement thermique de la biomasse où elle est chauffée à des températures de 200-300°C en absence partielle ou totale d'oxygène pour produire un combustible solide plus hydrophobe, homogène et de meilleure qualité par rapport à la matière première. Plusieurs technologies de torréfaction ont déjà été développées et mises en œuvre dans l'industrie. Le présent travail a pour objectif principal d'approfondir les connaissances dans le processus de thermo-dégradation de la biomasse pendant la torréfaction. Pour cela, un appareil expérimental innovant a été développé visant à améliorer le traitement thermique du bois en couplant un champ acoustique au facteur température. L'hypothèse est qu'un champ acoustique dans un réacteur modifie le champ de pression et par conséquent la vitesse des particules autour de l'échantillon en modifiant l'interaction entre l'environnement gazeux et les volatiles à la surface du bois, accélérant son processus de dégradation. Avec cet objectif, un système acoustique a été mis en place dans un réacteur. Une caractérisation et une cartographie du comportement acoustique envisageant la mesure du débit acoustique et de son intensité ont été réalisées. Les expériences physiques et chimiques de la torréfaction ont été effectuées pour deux températures de traitement avec et sans influence de l'acoustique, fournissant le rendement massique, les courbes de température et les propriétés chimiques du matériau torrifié. Concomitamment, un modèle numérique de la cinétique et de la composition élémentaire a été établi pour la prédiction du rendement en masse et de la composition en termes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène au cours de la dégradation. Les résultats expérimentaux de la torréfaction, ainsi que l'analyse chimique et la pyrolyse du produit final ont fourni des preuves telles que: réduction du temps de séjour, augmentation de la température interne de l'échantillon et pouvoir calorifique supérieur pour les échantillons traités sous l'influence de l'acoustique. Une dernière comparaison entre les résultats expérimentaux et numériques a permis d'évaluer la précision du modèle pour le traitement de torréfaction et l'influence de l'acoustique sur la cinétique de dégradation

Considered a mild form of pyrolysis, torrefaction appears as an alternative thermal treatment where the biomass is heated at temperatures between 200-300°C in partial or total absence of oxygen to produce a more hydrophobic, homogeneous and higher calorific solid fuel when compared to the raw material. Several torrefaction technologies have already been developed and implemented in the industry. The present work has as main objective to deepen the knowledge in the biomass thermo-degradation process during torrefaction. For this, an innovative experimental apparatus was developed aiming to improve the wood heat treatment by coupling an acoustic field to the temperature parameter. The assumption is that an acoustic field within a reactor modifies the pressure field and consequently the velocity of the particles around the sample by altering the interaction between the gaseous environment and the released volatile around the wood surface, accelerating its degradation process. With this objective, an acoustic system was implemented in a reactor. A characterization and mapping of the acoustic behavior contemplating the measurement of acoustic flux rate and its intensity was performed. The physical and chemical torrefaction experiments were performed for two treatment temperatures with and without influence of the acoustic, providing the mass yield evolution, the temperature curves and the chemical properties of the torrefied material. Concomitantly, a numerical model of kinetics and elemental composition was established for the mass yield and the composition prediction in terms of carbon hydrogen and oxygen during the degradation. The torrefaction experimental results, as well as the chemical analysis and pyrolysis of the final product, provided evidence such as: reduction of residence time, increase of the samples internal temperature during treatment and a greater calorific power for the samples treated under acoustic influence. A final comparison between experimental and simulation results allowed the evaluation of the torrefaction numerical model and the influence of the acoustics on the degradation kinetics

Considerada uma forma suave de pirólise, a torrefação aparece como alternativa de tratamento térmico da biomassa, onde essa é aquecida a temperaturas de 200 - 300 ° C em ausência parcial ou total de oxigênio visando produzir um combustível sólido mais hidrofóbico, homogêneo e com maior teor de carbono quando comparado à matéria-prima. Várias tecnologias de torrefação já foram desenvolvidas e implementadas na indústria. O presente trabalho tem como objetivo principal aprofundar o conhecimento no processo de termo-degradação da biomassa durante a torrefação. Para isso um inovador aparato experimental foi desenvolvido visando aprimorar o tratamento térmico da madeira acoplando um campo acústico ao fator temperatura. O pressuposto é que um campo acústico dentro de um reator modifica o campo de pressão e, consequentemente, a velocidade das partículas ao redor da amostra alterando a interação entre o ambiente gasoso e os voláteis na superfície da madeira, acelerando o seu processo de degradação. Com este objetivo, um sistema acústico foi implementado em um reator. Uma caracterização e mapeamento do comportamento acústico contemplando a aferição da taxa de fluxo acústica e da sua intensidade foi executada. Os experimentos físicos e químicos da torrefação foram realizados para duas temperaturas de tratamento com e sem influência da acústica, fornecendo o rendimento mássico, as curvas de temperaturas e as propriedades químicas do material torrificado. Concomitantemente, foi estabelecido um modelo numérico da cinética e da composição elementar para a predição do rendimento mássico e da composição em termos de carbono hidrogênio e oxigênio durante a degradação. Os resultados experimentais da torrefação, bem como a análise química e pirólise do produto final, forneceram evidências como: redução do tempo de residência, aumento da temperatura interna da amostra e um maior poder calorífico para as amostras tratadas sobre influência da acústica. Uma comparação final entre resultados experimentais e numéricos permitiram a avaliação da precisão do modelo para o tratamento de torrefação e a influência da acústica na cinética de degradação