Auto-échauffement de biomasses torréfiées : effet couplé de l’atmosphère et de la température de refroidissement

Self-heating of torrefied biomasses : coupled effect of atmosphere and cooling temperature

• Auteur / Autrice : Thanaphon Wongthonglueang
• Direction : Patrick Rousset
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 16/09/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : BioWooEB, Unité de Recherche , Cirad Institut de recherche à Montpellier
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Marias
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Rousset, Frédéric Marias, Patrick Perré, Patricia Arlabosse, Capucine Dupont, Jean-Michel Commandré
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Perré, Patricia Arlabosse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Combustion spontanée

Biomasse

Torréfaction de la biomasse

Mots clés libres

Auto-Échauffement

Torrefaction

Biomasse

Spontaneous combustion

Self heating

Torrefaction

Self heating

Combustion spontanée

Résumé

La torréfaction est l'un des procédés de prétraitement de la biomasse utilisés pour améliorer les performances de la biomasse. La torréfaction consiste en un chauffage lent de la biomasse à des températures comprises entre 200 °C et 300 °C dans une atmosphère absence d'oxygène. La torréfaction comprend cinq étapes différentes : chauffage, pré-séchage, post-séchage, dégradation thermique et refroidissement. Le refroidissement, étape sensible, consiste à refroidir la biomasse torréfiée à une température inférieure à 200 °C avant de l'exposer à l'air, car 200 °C est essentiellement la température d'auto-combustion du bois. Après refroidissement, la biomasse torréfiée est exposée à l'air humide où un auto-échauffement peut se produire et conduire à une combustion spontanée. L'auto-échauffement et la combustion spontanée de la biomasse torréfiée sont des risques directs liés à la production, au stockage et au transport de la biomasse torréfiée. Dans cette étude, nous avons étudié l'effet de l'oxydation à l'air et de la sorption de l'eau sur l'auto-échauffement de la biomasse torréfiée à des températures de refroidissement de 60 °C, 120 °C et 180 °C en mesurant le changement de la masse et le flux de chaleur ou l'évolution de la température à l'aide de TGA/DSC pour les microparticules, Macro-TG pour les macro particules et Réacteur à lit fixe pour le lit de biomasse. Nos résultats ont montré que l'effet de l'adsorption d'eau prédominait à 60 °C. Lorsque le flux gazeux est passé de l'azote à l'azote humide, le poids de la biomasse torréfiée a augmenté rapidement en raison de la génération de chaleur. Inversement, à 180 °C, l'effet de l'oxydation à l'air prédomine et la biomasse torréfiée diminue rapidement lorsqu'elle est exposée à de l'air sec associé à un dégagement de chaleur. L'effet de l'adsorption d'eau diminue avec l'augmentation de la température de refroidissement tandis que l'effet de l'oxydation à l'air augmente avec l'augmentation de la température. La sévérité de la torréfaction plus élevée augmente le risque à l'auto-échauffement. L'oxydation à l'air et l'adsorption d'eau peuvent conduire à l'auto-échauffement de la biomasse torréfiée. Ces résultats pourraient aider à réduire le risque de combustion spontanée de la biomasse torréfiée.

Torrefaction is one of the biomass pretreatment processes used to improve the performance of biomass. Torrefaction consists of the slow heating of biomass at temperatures ranging between 200 °C and 300 °C in an atmosphere with no oxygen. Torrefaction consists of five different stages: heating, pre-drying, post-drying, thermal degradation and cooling. Cooling, which is a sensitive stage, consists of cooling the torrefied biomass down to a temperature less than 200 °C before exposing it to air, because 200 °C is basically the ignition temperature of wood. After cooling, torrefied biomass is exposed to humid air when self-heating may occur and lead to spontaneous combustion. Self-heating and spontaneous combustion of torrefied biomass are direct hazards related to the production, storage and transport of torrefied biomass. In this study, we investigated the effect of combined air oxidation and water sorption on self-heating of torrefied biomass at 60 °C, 120 °C and 180 °C cooling temperatures by measuring weight change and heat flow or temperature evolution using TGA/DSC for microparticles, Macro-TG for macroparticles and Fixed-bed reactor for bed biomass. Our results showed that the effect of water adsorption predominated at 60 °C. When the gas stream was changed from nitrogen to humid nitrogen, the weight of the torrefied biomass increased rapidly associated with heat generation. Conversely, at 180 °C, the effect of air oxidation predominated and the torrefied biomass decreased rapidly when it was exposed to dry air associated with heat generation. The effect of water adsorption decreased with an increase in the cooling temperature whereas the effect of air oxidation increased with an increase in temperature. The higher torrefaction severity increases the self-heating propensity. The air oxidation and water adsorption may lead to the self-heating of torrefied biomass. These findings could help to reduce the risk of spontaneous combustion of torrefied biomass.