Modélisation de la torréfaction de biomasse dans un four à soles multiples

Modeling of biomass torrefaction in a multiple hearth furnace

• Auteur / Autrice : Elie Lacombe
• Direction : Capucine Dupont, Thierry Melkior, Muriel Marchand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 30/11/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Mortha
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Marias, Jean-Michel Commandré
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patricia Arlabosse, Hervé Jeanmart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation des données (informatique)

Torréfaction de la biomasse

Biomasse -- Conversion

Mots clés libres

Biomasse

Torréfaction

Four à soles multiples

Passage à l’échelle

Modélisation

Biomass

Torrefaction

Multiple hearth furnace

Scaling up

Modeling

Résumé

Dans le contexte énergétique actuel, la biomasse est une ressource abondante et renouvelable qui peut être valorisée énergétiquement directement sous forme de chaleur ou indirectement sous forme de gaz ou de biocarburants. Pour cela, plusieurs procédés thermochimiques de dégradation de la biomasse sèche tels que la gazéification, la pyrolyse ou la combustion sont mis en œuvre. Cependant, la biomasse exploitable (forestière ou agricole) est caractérisée par un fort taux d'humidité, une broyabilité énergivore, une mauvaise coulabilité de sa poudre ainsi qu’une faible densité énergétique par rapport au charbon. La torréfaction est un prétraitement thermique entre 200 et 300 °C sous atmosphère inerte permettant d’améliorer la qualité de la biomasse en vue de sa valorisation énergétique. La biomasse torréfiée obtenue est hydrophobe, sèche et son pouvoir calorifique est plus élevé que la ressource brute.La description des mécanismes de dégradation de la biomasse au cours de la torréfaction a fait l’objet de nombreux travaux scientifiques. Cependant, il y a un manque d’études sur des procédés pilotes et de démonstration qui se limitent pour la plupart à l’analyse du produit principal : le solide.En considérant les phénomènes prépondérants influençant la dégradation thermique de la biomasse, l’objectif de ce travail est d’approcher cette problématique du passage à l’échelle, en cherchant à modéliser les rendements de torréfaction dans un four à soles multiples, qui constitue l’une des technologies de référence. Pour mener à bien ce travail, une étude cinétique réalisée à partir de mesures dans un analyseur thermogravimétrique a permis de valider sur les biomasses étudiées (le chêne et noyaux d’olives) le schéma semi-détaillé de dégradation développé par Ranzi et Anca-Couce. Ensuite, des mesures de distribution de temps de séjour dans ce four ont permis d’estimer l’influence des paramètres opératoires sur le mouvement des particules et d’identifier les principaux mécanismes en jeu. Si la vitesse de rotation de l’axe du four est le levier principal pour contrôler le temps de séjour de la ressource, le débit d’alimentation et l’espacement entre les dents d’un même bras ont une influence importante sur la distribution de temps de séjour. Le transport des particules dans le four est fortement dispersif. Sur l’ensemble des essais, le temps de séjour des particules dans le four est compris entre 50 % et 150 % du temps de séjour moyen. La dernière étape consiste à développer un modèle thermique complet du four à soles multiples intégrant la cinétique chimique et un modèle de transport de la biomasse. Les résultats sont alors confrontés à des mesures expérimentales réalisées dans un four à soles multiples traitant entre 40 et 80 kg/h de ressource de 250 à 300 °C. Le modèle développé décrit de manière satisfaisante les tendances observables expérimentalement. Le rendement solide est correctement décrit par le modèle mais le rendement en gaz permanent est sous-estimé de 34 % en moyenne. L’erreur relative sur le pouvoir calorifique supérieur de la ressource torréfiée est inférieure à 8 %. Expérimentalement, comme attendu, la température de torréfaction influence significativement les rendements et produits de torréfaction. Plus rarement rapporté dans la littérature, l’impact du taux d’humidité de la ressource traitée sur les rendements obtenues est également considérable.

In the current energy context, biomass is an abundant and renewable resource that can be energetically recovered directly into heat or indirectly into gas or biofuels. Several thermochemical processes, such as gasification, pyrolysis or combustion can be implemented. However, biomass is characterized by a high humidity rate, a high grinding energy and a low energy density compared to coal. Torrefaction is a thermal pre-treatment between 200 and 300 °C under an inert atmosphere that improves biomass quality for energy uses. The torrefied biomass obtained is hydrophobic, dry and has a higher calorific value than raw biomass.Researchers have put a lot of effort into understanding the mechanisms of biomass degradation during torrefaction on small-scale experiments for various resources. Those works are useful for investigating chemical kinetics during torrefaction. However, there is a lack of studies on pilot and demonstration processes, which are limited for the most part to the analysis of the main product: the torrefied solid.By considering predominant phenomena influencing the thermal degradation of biomass, this work aims to model torrefaction yields in a multiple hearth furnace, which constitutes one of the reference technologies. To carry out this work, a kinetic study based on thermogravimetric measurements aims to validate the Ranzi Anca-Couce degradation scheme on two biomasses (oak and olive stones). Then, residence time distribution measurements in this furnace are achieved to estimate the influence of operating parameters on particle transport and identify the main mechanisms involved. The shaft speed of the furnace is the main parameter to control the residence time of the resource. The feed rate and the spacing between the teeth of an arm also have an important influence on the distribution of the residence time of particles. Particle transport in the furnace is dispersive. The particles' residence time is comprised between 50 % and 150 % of the average residence time. The last step consists of developing a complete thermal model of this furnace, integrating a chemical kinetic and a biomass transport model. Results are compared with experimental measurements achieved in a semi-industrial multiple hearth furnace processing between 50 and 70 kg/h of biomass at 250 to 300 °C. The model satisfactorily describes experimentally observable trends. Solid yield is correctly described by the model but the dry gas yield is underestimated by 34 %. The relative error on the higher calorific value of the solid product is less than 8 %. Experimentally, torrefaction temperature influences torrefaction yields and products as expected. More rarely reported in the literature, the impact of the moisture content of raw biomass on yields is also significant.