Torréfaction du bois et de ses constituants : expériences et modélisation des rendements en matières volatiles

Torrefaction of wood and its constituents : experiments and modelling of volatile species

• Auteur / Autrice : Timothée Nocquet
• Direction : Sylvain Salvador
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et de l'environnement
• Date : Soutenance le 18/12/2012
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (Albi ; 2012-....)

Mots clés

Mots clés libres

Biomasse

Bois

Cellulose

Xylane

Lignine

Torréfaction

Modélisation

Interactions

Biomass

Wood

Cellulose

Xylan

Lignin

Torrefaction

Modelling

Interactions

Résumé

Actuellement, l’industrialisation de la torréfaction de biomasse se heurte notamment à un manque de connaissances de la nature et de la quantité des matières volatiles produites en fonction des conditions opératoires et de la matière première. L’objectif de ces travaux est donc de mieux comprendre comment s’opère la torréfaction de la biomasse, en se concentrant sur l’étude de la perte de masse du solide et des rendements en matières volatiles. La torréfaction est considérée à partir de bois sec, sous atmosphère inerte et suivant un palier à une température comprise entre 200°C et 300°C. Lors d’une étude expérimentale, du hêtre et ses constituants, à savoir cellulose, xylane et lignine, ont été torréfiés, en régime chimique, dans une thermobalance et dans un pilote de torréfaction à échelle laboratoire. Le bilan matière boucle entre 97% et 104%. Les principales matières volatiles émises par la torréfaction de ce bois sont l’eau, le formaldéhyde, l’acide acétique et le CO2. De l’acide formique, du CO, du méthanol et du furfural sont aussi mesurés en quantité moindre. Certaines de ces espèces ne sont pas produites par tous les constituants du hêtre. Il semble en particulier que l’acide acétique soit produit à partir de la dégradation des acétates contenus dans les hémicelluloses. Par ailleurs, il apparaît en première approximation que la transformation peut être correctement représentée par la loi d’additivité jusqu’à 250°C. Cela n’est plus le cas à 280°C et 300°C, du fait d’interactions entre la cellulose et les deux autres constituants du bois. Celles-ci ralentissent la vitesse de torréfaction de la cellulose. A partir de ces résultats expérimentaux, a été développé dans ces travaux un modèle de torréfaction du bois, basé sur la superposition de « sous-modèles » décrivant chacun la torréfaction d’un constituant du bois. Ce modèle, qui présente comme originalité de prévoir en fonction de la proportion du bois en cellulose/hémicelluloses/lignine à la fois le rendement en solide et en huit espèces volatiles, et de prendre en compte les interactions à l’aide d’un facteur empirique, a été validé sur les expériences de torréfaction du hêtre entre 220°C et 300°C. Son utilisation a mis en évidence l’influence significative des contenus en hémicelluloses et cellulose sur les rendements en produits de la torréfaction.

The industrialization of the biomass torrefaction process requires better knowledge of the volatile species release versus operating conditions and feedstock. In this context, the present work aimed at studying solid mass loss and volatile species yields during biomass torrefaction. This transformation was considered on dry wood, at a temperature plateau between 200°C and 300°C and under inert atmosphere. First, torrefaction experiments were conducted under chemical regime on beechwood and its constituents – cellulose, lignin and hemicelluloses – in a thermobalance and in a lab-scale device. The mass balance closure was achieved with values ranging from 97 and 104%. The main volatile species measured were water, formaldehyde, acetic acid and CO2. Smaller amounts of methanol, CO, formic acid and furfural were also quantified. All those gas species were not produced by the three biomass constituents. In particular acetic acid seems to be produced by the degradation of the acetate groups contained in hemicelluloses. The results showed that in a first approximation torrefaction can be described by the additive law up to 250°C. But this law is not valid at 280°C and 300°C because of interactions between cellulose and the two other wood constituents. These interactions lead to a decrease in the torrefaction rate of cellulose. Based on these experimental results, a model of wood torrefaction was developed. It consists in the superposition of “sub-models” describing the torrefaction of each wood constituent. The originality of this model lies in its ability to predict both solid yield and eight volatile species yields depending on cellulose/hemicellulose/lignin wood composition, and to take into account interactions by means of an empirical factor. It was validated on beechwood torrefaction experiments between 220°C and 300°C. Finally, this model highlighted the significant influence of the proportion of hemicellulose and cellulose on torrefaction product yields.