Développement et validation de méthodologies et d’outils opérationnels de caractérisation rhéologique de biomasses appliqués au procédé de méthanisation en voie solide, et conception de réacteurs de 0,5 m3

Development and validation of methodologies and operational tools for rheological characterization of biomasses applied to the solid-state anaerobic digestion process and design of 0,5 m3 reactors

• Auteur / Autrice : Manuel Alejandro Hernandez-Shek
• Direction : Thierry Ribeiro, André Pauss
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés : Transformations intégrées de la matière renouvelable (EA-4297)
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Transformation Intégrée de la Matière Renouvelable / TIMR

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solides

Procédés discontinus

Réacteurs chimiques

Développement durable

Énergies renouvelables

Rhéologie

Déchets agricoles

Gaz de fumier

Biogaz

Énergie de la biomasse

Anaérobiose

Méthanisation

Mots clés libres

Méthanisation en voie solide continue

Réacteur écoulement piston

Valorisation énergétique

Continuous dry anaerobic digestion

Piston flow reactor

Waste-to-energy

Rheology

Agricultural wastes

Biogas

Renewable energy

Sustainable development

Biomass energy

Manure gases

Résumé

La méthanisation en phase solide en continu en réacteur à écoulement piston (REP) est un procédé qui suscite un intérêt croissant pour le traitement et la valorisation énergétique de sous-produits agricoles à teneur en matière sèche élevée. La production de biométhane, en plus de constituer un revenu supplémentaire aux exploitants agricoles et une source d’engrais naturels, s’inscrit dans les objectifs de développement durable de l’UNESCO à travers la production d’énergie renouvelable, la création d’emplois et la lutte contre les changements climatiques. Malgré le potentiel de ce procédé dans le contexte énergétique actuel, des verrous scientifiques et technologiques demeurent afin de mieux comprendre et maîtriser les phénomènes impliqués, d’augmenter la rentabilité des installations et de rendre cette technologie plus accessible aux petits et moyens exploitants. L’objectif de cette thèse est d’apporter des solutions aux problématiques liées au développement de la méthanisation en continu dans des REP, notamment pour le procédé Easymetha. Dans un premier temps, l’objectif a été de développer et valider des outils et méthodes de mesures rhéologiques adaptés au procédé de méthanisation voie solide à l’échelle pilote. Pour ce faire trois méthodes d’analyse rhéologique alternatives pour mesurer les propriétés rhéologiques (seuil d’écoulement, viscosité, cohésion et angle de frottement) de la biomasse ainsi que sa coulabilité ont été étudiées. Un Slump-Test, un consistomètre et une boîte de cisaillement de grands volumes (> 10 L) ont permis de caractériser les propriétés rhéologiques de mélanges reconstitués de fumier pailleux brut et broyé. Le deuxième objectif porté sur le développement et l’application d’une méthode de courbes de rétention d’eau (WRC) pour la détermination de l’évolution de la distribution de la porosité pour du fumier traité dans des réacteurs batch en discontinu. Ensuite, l’objectif fut d’établir l’effet de l’immersion, de l’absence de recirculation de la phase liquide et de la hauteur du massif solide sur la dégradation de la matière et ses propriétés physiques et rhéologiques en fonction de la pression. Pour se faire, deux colonnes de digestion de 2,5 m de hauteur et 440 L de volume total ont été construites. Deux niveaux d’immersion ont été testés permettant de mettre en évidence le faible besoin de recirculation du liquide une fois que le massif solide est immergé dans la fraction liquide. L’importance de ce paramètre pour les systèmes de méthanisation en continu et alimentés avec des substrats bruts est discutée, l’immersion pouvant favoriser la formation de joints hydrauliques en entrée et sortie de réacteur et le déplacement horizontal de la matière. Ces expériences ont apporté une base solide pour le prochain objectif qui a porté sur le dimensionnement et la mise en opération d’un réacteur pilote de méthanisation en continu avec une conception le plus proche possible du procédé Easymetha. Ce système consiste en un digesteur en écoulement piston de 500 L, un volume important dans lequel la matière avance sur une longueur de 2 m. Ce pilote a été opéré en continu pendant 100 jours, son fonctionnement a montré l’aptitude et la résilience de ce système pour la valorisation du fumier non broyé. Et par ailleurs, un outil de simulation et de prédiction du comportement du débit de méthane à partir des données en batch a été créé et validé avec les résultats expérimentaux du pilote. Pour terminer, l’évolution des propriétés rhéologiques du fumier dans des réacteurs fonctionnant en continu et en discontinu a été étudiée en utilisant les outils développés et calibrés précédemment. Cette thèse s’articule autour de plusieurs expérimentations multi-échelles et complémentaires permettant de mieux comprendre et d’optimiser le procédé de méthanisation en voie solide continue de sous-produits agricoles bruts.

Continuous dry anaerobic digestion (D-AD) in plug flow reactor (PFR) is a promising process that is growing interest in the treatment and energy recovery of agricultural waste. The biomethane production provides an additional income to farmers and a source of natural fertilizer, additionally, this process is in line with UNESCO's sustainable development objectives through the production of renewable energy, employment creation and the fight against climate change. Despite the potential of this process in the current energy context, scientific and technological obstacles need to be solved to better understand and control the phenomena involved, to increase the profitability of the installations and to make this technology more accessible to small and medium-sized farmers. The objective of this work is to provide solutions to the problems related to the development of continuous D-AD in PFR, especially for the Easymetha process. First, the objective was to develop and validate rheological measurement tools and methods adapted to D-AD process at pilot and industrial scales. Three alternative rheological analysis methods were developed to measure the rheological properties (yield stress, viscosity, cohesion and angle of friction) of the biomass as well as its flowability. A Slump Test, a consistometer and a shear box of large volumes (>10 L) allowed to characterize the rheological properties of artificial mixtures of raw and crushed straw manure. Then, the second objective focused on the development and application of a Water Retention Curve (WRC) method for the determination of the evolution of the porosity distribution of manure treated in batch reactors. Then, the objective was to establish the effect of immersion, the absence of recirculation of the liquid phase and the height of the solid mass on the degradation of the material and its physical and rheological properties as a function of height, two digestion columns with a height of 2.5 m and a total volume of 440 L were constructed. Two levels of immersion were tested to demonstrate the low need for liquid recirculation once the solid mass is immersed in the liquid fraction. The importance of this parameter for continuous D-AD systems fed with raw substrates is discussed. Immersion can promote the formation of hydraulic seals at the reactor inlet and outlet and the horizontal displacement of the material. These experiments have provided a solid basis for the next objective, which is to design and operate a continuous D-AD pilot PFR with a design as close as possible to the Easymetha process. The development of a new D-AD system at the pilot scale consisted of a 500 L PFR, a large volume where the material advances over a length of 2 m. This pilot has been operated continuously for 100 days, its operation has shown the aptitude and resilience of this system for the valorization of raw straw cattle-manure. In addition, a tool for simulation and prediction of methane flow behavior from batch data was created and validated with the experimental results of the pilot. Finally, the evolution of the rheological properties of the manure in continuous and batch reactors was measured using the previously developed and calibrated tools. This thesis is based on several multi-scale and complementary experiments allowing a better understanding and optimization of the process of continuous dry-process anaerobic digestion of raw agricultural by-products.