Expérimentation, modélisation et simulation du séchage de biomasse : application à la bagasse de canne à sucre et aux copeaux de bois

Experimentation, modeling and simulation of biomass drying : application to sugar cane bagasse and wood chips

• Auteur / Autrice : Paul Guillou
• Direction : Jean Castaing-Lasvignottes, Laëtitia Adelard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique/Génie des procédés
• Date : Soutenance le 18/06/2021
• Etablissement(s) : La Réunion
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Technologies et Santé (Saint-Denis, La Réunion ; 2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et d'Ingénierie mathématique pour l'énergie et l'environnement (Saint-Denis, Réunion)
• Jury : Président / Présidente : François Garde
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Bastide, Esther Titilayo Akinlabi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ikram El Abbassi, Stéphane Gibout

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Séchage

Biomasse

Torréfaction de la biomasse

La Réunion (France ; île)

Biomasse -- Conversion

Mots clés libres

Expérimentation

Modélisation

Simulation

Séchage

Biomasse

Experimentation

Modeling

Simulation

Drying

Biomass

Résumé

La biomasse représente une ressource renouvelable et abondante pouvant faire l’objet de différentes valorisation (énergétique, matériaux de construction, adsorbant). Une des caractéristiques principales de ces biomasses est leur teneur en eau importante qu’il est, dans certains cas, nécessaire d’éliminer avant toute application. Le séchage constitue l’une des voies possibles d’extraction d’eau avant utilisation de ces produits biosourcés. À La Réunion, la biomasse produite localement peut permettre de contribuer à diminuer la dépendance aux importations de combustibles ou de matériaux de construction. Dans ce contexte, deux biomasses locales ont été sélectionnées : la bagasse de canne à sucre et les copeaux de bois de Cryptomeria japonica. Devant la complexité des phénomènes physiques mis en jeux lors du processus du séchage, nous avons choisi une approche expérimentale, puis numérique pour finalement aboutir à la simulation du séchage de biomasse. Aussi, dans un premier temps, nous avons décidé de mettre au point deux dispositifs pour l’étude du séchage de ces biomasses en convection naturelle et pour des températures de consignes variant de 40°C à 70°C. Dans les deux cas, l’échantillon est conditionné dans une géométrie cylindrique et les bancs expérimentaux différents principalement dans les moyens de mesure utilisés. Le premier, relativement simple, dispose d’une seule sonde de température et d’humidité relative placée au centre d’un échantillon. Les résultats globaux qui en découlent font apparaitre la succession de différentes phases de séchage mettant en jeu les échanges couplés de masse et de chaleur. Afin d’appréhender le comportement local, nous avons mis en place un deuxième banc expérimental doté de 9 points de mesure pour la température et d’un suivi continu de la masse de l’échantillon. Les données recueillies permettent d’observer une distribution spatiale dans l’échantillon et les dynamiques obtenues viennent compléter celles rencontrées lors du premier dispositif. La deuxième approche concerne le développement d’un modèle numérique local et dynamique du séchage de biomasse. Afin de s’affranchir de la résolution explicite du milieu poreux, celui-ci est considéré comme continu et composé de trois phases : solide, liquide et gazeuse. Sur chacune d’entre elles sont établies les équations de conservation, de transfert, d’état et d’équilibre. Le système d’équations est résolu selon la méthode des volumes finis et appliqué à notre géométrie cylindrique en deux dimensions. Le modèle développé fait intervenir 4 coefficients de transferts de masse et de chaleur (2 internes et 2 externes) qui seront identifiés dans le chapitre suivant. Parallèlement, et pour les besoins du modèle, nous avons également procédé à la détermination des isothermes de sorption de nos deux biomasses. La dernière partie est consacrée à la simulation du processus de séchage grâce aux données expérimentales recueillies et au modèle développé. Pour ce faire, les 4 coefficients de transferts sont identifiés. Les dynamiques simulées présentent des comportements correctement reproduits par le modèle. Ce dernier validé permet d’avoir accès aux flux de chaleur et de masse pour les différentes positions afin de mieux appréhender les comportements observés expérimentalement. Fort des résultats numériques obtenus nous utilisons le modèle développé pour la simulation du séchage de Donut de biomasses assez répandus en Afrique du Sud et la simulation des transferts de masse et de chaleur à travers une paroi composé de copeaux de bois, et soumis à des sollicitations thermiques et hydriques journalières.

Biomass represents a renewable and abundant resource that can be used for various purposes (energy, construction materials, adsorbent). One of the main characteristics of these biomasses is their important water content which is, in some cases, necessary to eliminate before any application. Drying is one of the possible ways to extract water before using these biosourced products. In Reunion Island, locally produced biomass can contribute to reduce the dependence on imported fuels or construction materials. In this context, two local biomasses have been selected: sugarcane bagasse and Cryptomeria japonica wood chips. Due to the complexity of the physical phenomena involved in the drying process, we chose an experimental approach, then a numerical one, to finally reach the simulation of biomass drying. We decided to develop two devices to study the drying of these biomasses in natural convection and for temperatures ranging from 40°C to 70°C. In both cases, the sample is conditioned in a cylindrical geometry and the experimental benches differ mainly in the means of measurement used. The first, relatively simple, has a single temperature and relative humidity probe placed in the center of a sample. The global results which result from it make appear the succession of various phases of drying putting in play the coupled exchanges of mass and heat. In order to apprehend the local behavior, we set up a second experimental bench equipped with 9 points of measurement for the temperature and a continuous follow-up of the mass of the sample. The data collected allow us to observe a spatial distribution in the sample and the dynamics obtained complement those encountered in the first device. The second approach concerns the development of a local and dynamic numerical model of biomass drying. In order to avoid the explicit resolution of the porous medium, it is considered as continuous and composed of three phases: solid, liquid and gas. On each of them, conservation, transfer, state and equilibrium equations are established. The system of equations is solved according to the finite volume method and applied to our two-dimensional cylindrical geometry. The developed model involves 4 mass and heat transfer coefficients (2 internal and 2 external) which will be identified in the next chapter. In parallel, and for the needs of the model, we also proceeded to the determination of the sorption isotherms of our two biomasses. The last part is devoted to the simulation of the drying process according to the experimental data collected and the developed model. For this purpose, the 4 transfer coefficients are identified. The simulated dynamics present behaviors correctly reproduced by the model. The model is validated and gives access to the heat and mass fluxes for the different positions in order to better understand the behaviors observed experimentally. Based on the numerical results obtained, we use the model developed for the simulation of the drying of biomass donuts, which are quite common in South Africa, and the simulation of mass and heat transfer through a wall composed of wood chips, and subjected to daily thermal and hydric sollicitations.