Étude de la rhéologie de poudres de bois en vue de leur valorisation énergétique

Study of the rheology of wood powders for the purpose of energy recovery

• Auteur / Autrice : Florent Thevenon
• Direction : Alain de Ryck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 30/11/2021
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• 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-....) - Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble) - Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE
• Jury : Président / Présidente : Olivier Bonnefoy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain de Ryck, Véronique Falk, François Puel, Capucine Dupont, Muriel Marchand, Thierry Melkior
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Véronique Falk, François Puel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (matière)

Torréfaction de la biomasse

Biomasse -- Gazéification

Rhéologie

Poudres

Biomasse

Mots clés libres

Biomasse

Poudres

Prétraitement

Rhéologie

Coulabilité

Injection

Biomass

Powders

Pre-treatment

Rheology

Flowability

Injection

Résumé

La biomasse peut être valorisée en énergie via de nombreux procédés. En particulier, la gazéification est un procédé de conversion thermochimique de la biomasse en un gaz de synthèse qui peut être ensuite transformé en biocarburants. La gazéification en réacteur à flux entraîné impose de broyer finement la ressource (quelques centaines de microns) afin d’assurer sa conversion totale dans le réacteur. Cependant, les poudres de biomasse sont composées de particules fines et allongées, ce qui induit une cohésion importante. Il en résulte des problèmes récurrents lors des opérations de stockage, de convoyage et d’injection de la matière. Dans ce contexte, ce travail de thèse vise à étudier la rhéologie des poudres de bois. L’approche expérimentale suivie est menée de l’échelle de la particule à l’échelle pilote. La première partie de la thèse présente l’étude de plusieurs chaines de préparation de poudres de bois à l’échelle pilote. Elles incluent soit une étape de torréfaction à 250 °C, soit un broyage additionnel à l’aide d’un broyeur vibrant. Le coût énergétique de production des poudres et leur coulabilité, mesurée à l’échelle laboratoire, sont comparés. Bien que la torréfaction réduise l’énergie nécessaire au broyage, le coût énergétique total de la chaîne incluant la torréfaction est très élevé par rapport à celui de la chaîne employant le broyeur vibrant. Cela est principalement dû au traitement des gaz de torréfaction dans la postcombustion. La valorisation de l’énergie des gaz de postcombustion dans les étapes de séchage et de torréfaction diminue de moitié les besoins en énergie et d’un quart les besoins en matière première. La torréfaction douce diminue d’un facteur deux le diamètre médian des particules mais ne modifie par leur forme. Le broyage dans le broyeur vibrant améliore la circularité des particules. Enfin, ces deux traitements améliorent significativement la coulabilité de la poudre dans des proportions similaires. Dans une deuxième partie de la thèse, la relaxation sous contrainte des poudres de bois est étudiée à l’échelle laboratoire avec une grande et une petite cellule de cisaillement. La lente relaxation de l’échantillon est interrompue par des variations soudaines et conséquentes, expliquées par un réarrangement collectif de grains. Ce phénomène est observé uniquement dans la plus grande cellule. Les réarrangements importants du milieu sont relativement indépendants de la contrainte normale appliquée et apparaissent à déformation constante du lit. L’amplitude de ces réarrangements ainsi que la déformation du lit entre deux réarrangements augmentent avec la taille des grosses particules. La présence des réarrangements est plus importante lorsque la porosité initiale du lit est élevée. La dernière partie de la thèse étudie l’injection de poudres de bois avec une vis sans fin à échelle pilote. Les essais sont réalisés en grande partie à pression atmosphérique. L’influence de la morphologie des particules sur l’énergie requise par la vis d’injection et sur le débit massique de poudre est mise en évidence. L’injection de particules grossières et allongées nécessite plus d’énergie que celle de particules fines et sphériques. Le remplissage de la vis est d’autant plus important que la distribution granulométrique est étendue. La longueur de cohésion est le rapport des forces de cohésion sur la force de pesanteur. Cet indicateur prédit correctement la capacité des poudres étudiées à s’écouler sans former de voûte. Enfin, une poudre de bois torréfiée est gazéifiée avec succès dans un réacteur à flux entraîné pilote sous une pression de 7 bars, à un débit d’entrée de 15 kg/h.

Heat, electricity, bio-based chemicals, bio-based materials or also biofuels can be produced from biomass via a wide number of routes. Among them, gasification is a thermal conversion of biomass to produce a syngas which can be further converted into biofuels. Entrained flow gasification of biomass requires to finely grind the resource (a few hundreds of microns) to ensure its full conversion inside the reactor. However, biomass powders are composed of fine and elongated particles which lead to cohesion inside the bulk powder. It results in recurrent storage, conveying and feeding issues. Therefore, this doctoral thesis aims to study the rheology of wood powders. In this purpose, the powders are characterized at both laboratory and pilot scales. The first part of the work compares different preparation chains to produce wood powders at pilot scale, based on their respective energy requirements and the ability of the powder to flow. A mildly torrefaction step (250 °C) and a grinding step in a vibratory mill are considered. Even though torrefaction significantly reduces the grinding energy, the energy requirements of the whole process are still much higher than for the chain including a vibration mill. The high energy cost is mainly due to the post-combustion of torrefaction gases. Recovering the heat of the gases downstream the post-combustion enables to decrease by half the total energy requirement and by a quarter the resource requirements. The mild torrefaction performed in this study decreases by half the particle diameter but does not modify the particle shape. The grinding step in the vibratory mill improves the particle circularity. Lastly, torrefaction and vibration mill both improve significantly the flowability of the powder to a similar extent. In the second part, the relaxation of several wood powders is investigated at laboratory scale with a large and a small shear cell. The slow logarithmic relaxation or creep of wood powders is interrupted by large events, attributed to sudden rearrangements of particles. This phenomenon is observed only in the largest cell. The large events are nearly independent of the normal stress and appear for a given deformation. The amplitude of the event and the deformation of the bed between two consecutive events increase with the size of the coarse particles. The presence of fast particle rearrangements increases with the initial porosity of the powder bed. The last part of the work studies the biomass screw feeding at pilot scale. Experiments are mainly performed under atmospheric pressure. The influence of the morphology of particles on both the energy required by the feeding screw and the mass flow rate of powder have been highlighted. The injection of coarse and elongated particles requires significantly more energy than the injection of fine and spherical particles. The volumetric efficiency of the screw increases with the size polydispersity. The cohesion length is the ratio of cohesive forces over the weight. It well predicts the ability of the studied powders to flow in the plant without building arches. Lastly, a powder of torrefied wood is successfully gasified in a pressurized entrained flow pilot plant, under 7 bars and with a feeding rate of 15 kg/h.