Développement d'un procédé optimisé de carbonisation pour l'application barbecue

Development of an optimized carbonization process for the barbecue application

• Auteur / Autrice : Alexandre Suarez
• Direction : Yann Rogaume
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences du Bois et des Fibres
• Date : Inscription en doctorat le 26/02/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LERMAB - Laboratoire d'Études et de Recherche sur le MAtériau Bois (Vandoeuvre-lès-Nancy)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe Valorisation Chimique, Energie et Procédés

Mots clés

Mots clés libres

Charbon de bois

Bois-Energie

Carbonisation

Syngaz

Co-génération

Couplage de procédés

Charcoal

Wood-Energie

Carbonization

Syngaz

Cogeneration

Process coupling

Résumé

Contexte : Le charbon de bois est un produit issu du procédé de carbonisation. On le retrouve dans diverses applications à visées industrielles, telles que la métallurgie (quelques cas au Brésil) ou la chimie, et du particulier pour les usages domestiques (chauffage et cuisson dans certains pays émergents) ou le barbecue/restauration. En France, et globalement les pays à haut niveau de développement, le charbon de bois est principalement utilisé pour cette dernière application. Nous nous y intéresserons donc plus particulièrement dans le cadre de cette thèse. Si nous regardons la balance commerciale par pays du charbon de bois (selon Eurostat et FAOSTAT), nous remarquons pour l'année 2022 qu'en France celui-ci est à 77 % importé (sur 104.4 mille tonnes) pour une consommation nationale d'environ 93.5 mille tonnes. La grande partie de la production mondiale (51 826 mille tonnes) provient du brésil (6 390 mille tonnes), Nigéria (4 672 mille tonnes), Ethiopie (4 622 mille tonnes), Inde et RDC (environ 2 800 mille tonnes chacun). Ses pays utilisent principalement le charbon de bois en autoconsommation (pour la métallurgie au Brésil et en Inde et principalement l'usage domestique en Ethiopie et RDC). D'autre part, les principaux exportateurs sont l'Indonésie (504 213 tonnes), Nigéria (257 971 tonnes) et Myanmar (250 780 tonnes). Les valeurs de ce paragraphe sont issues de l'année 2019 sur FAOSTAT. Or une part importe de cette production provient de procédés « rudimentaires » et/ou polluants. Ainsi, la relocalisation de la production de charbon de bois en France semble particulièrement intéressante d'un point de vue environnemental, économique et social. Euro-Energies, avec laquelle cette thèse sera effectuée, est une filiale du groupe Poujoulat. C'est une entreprise majeure (en France) du bois-énergie ; notamment par l'intermédiaire de ses Bois Factory et divers partenariats (avec des scieries par exemple). Elle se place sur les marchés de la bûche, la bûche densifiée et du granulé. Et dans ce contexte, elle a racheté en [insérer date] un producteur de charbon de bois (barbecue et restauration) de la Sarthe (72) : la SOCCEM. Euro-Energies souhaite ainsi investir ce marché et ce rachat en est la première pierre. Le site actuel de la SOCCEM, situé à Saint-Ulphace (72320), produit [insérer masse annuelle charbon] tonnes de charbon par an avec 12 fours métalliques de 17 m3 de type CML. La méthode de carbonisation est la suivante. La zone basse du four sert à apporter la chaleur nécessaire à la pyrolyse par combustion d'une partie de la charge en bois. Pour se faire des entrées d'air sont disposées sur les parois dans cette zone. Puis la chaleur, transportée par l'air dépourvu de son oxygène suite à la combustion, monte au sein du four faisant rentrer en carbonisation le reste de la charge. Des gaz (mélange d'eau, de CO2, CO, H2, CH4 et un certain nombre de goudrons) sont produits lors de la pyrolyse et brûlés dans une torchère afin de limiter le dégagement de particules fines (CO) et des gaz à fort effet de serre (CH4 et goudrons). Ces fours commencent à atteindre la fin de leur durée de vie. Or cette technologie présente deux limitations du point de vue du rendement : _ matière puisqu'une partie de la charge est consommée pour fournir la chaleur, elle ne produira donc pas de charbons (oxydation « complète » des charbons lors de la combustion dans cette zone); _ énergétique puisque la chaleur produite par la combustion des gaz de pyrolyse dans la torchère n'est actuellement pas valorisée. Elles représentent un problème environnemental et une perte économique pour l'entreprise. Par conséquent, Euro-Energies souhaite moderniser et optimiser son outil de production. C'est ainsi qu'est né le projet donnant lieux à cette thèse. De plus, l'implémentation sur ce site d'une activité de bois bûche (comme on peut la trouver, par exemple, chez Bois Factory 72 dans la même entreprise) est prévue. Objectifs de la thèse : L'objectif principale de cette thèse CIFRE est d'accompagner Euro-Energies dans son projet par l'apport de connaissances scientifiques, de modélisations et de données expérimentales. Une étude bibliographique sera réalisée afin d'avoir une vision d'ensemble sur la carbonisation et ainsi aiguiller les choix technologiques lors des étapes clés du projet. Elle se concentrera sur les procédés modernes de carbonisation (utilisés actuellement en France par exemple) excluant ainsi les fours semi-enterrés, rectangulaires maçonnés, type « ruche », « Hot-tail », etc… Lorsqu'il sera possible, ces derniers seront étudier d'un point de vue énergétique et matière pour décrire au mieux leur fonctionnement. La modélisation portera sur plusieurs points. D'une part celle du procédé de carbonisation et le couplage avec l'activité de bois bûche. Elle se décomposera en plusieurs briques associées aux étapes du procédé telles que le séchage long, séchage pré-carbonisation, pyrolyse et combustion des gaz. Pour se faire nous utiliserons Aspen Plus, un logiciel de modélisation des procédés industriels (souvent utilisé en chimie, pharmaceutique et pétrochimie). Suite aux expérimentations d'autre part, des modélisations de certaines parties du procédé seront proposées afin d'augmenter la fiabilité du modèle Aspen. Les données expérimentales serviront d'abords à l'élaboration de ce dernier mais également au pilotage futur de l'installation (exemple : paramètres optimaux de température et débit d'air pour le séchage)

Context: Charcoal is a product from the carbonization process. It is found in various industrial applications such as metallurgy (in some cases in Brazil) or chemistry, and for household use (heating and cooking in certain emerging countries) or barbecue/restaurants. In France, and generally in highly developed countries, charcoal is primarily used for the latter application. We will therefore focus more specifically on this aspect in the context of this thesis. Looking at the charcoal trade balance for each country (according to Eurostat and FAOSTAT), we notice that in 2022, in France, 77% of it is imported (out of 104.4 thousand tons) for a national consumption of around 93.5 thousand tons. The majority of global production (51,826 thousand tons) comes from Brazil (6,390 thousand tons), Nigeria (4,672 thousand tons), Ethiopia (4,622 thousand tons), India, and the DRC (around 2,800 thousand tons each). These countries mainly use charcoal for self-consumption (for metallurgy in Brazil and India, and primarily for domestic use in Ethiopia and the DRC). On the other hand, the main exporters are Indonesia (504,213 tons), Nigeria (257,971 tons), and Myanmar (250,780 tons). The values in this paragraph are from 2019 on FAOSTAT. However, a significant portion of this production comes from ''rudimentary'' and/or polluting processes. Therefore, relocating charcoal production to France seems particularly interesting from an environmental, economic, and social point of view. Euro-Energies, with which this thesis will be conducted, is a subsidiary of the Poujoulat group. It is a major company (in France) in wood energy; notably through its Bois Factory and various partnerships (with sawmills, for example). It operates in the log, densified log, and pellet markets. In this context, Euro-Energies acquired a charcoal producer (barbecue and restaurant) in Sarthe (72), SOCCEM, on [insert date]. Euro-Energies aims to invest in this market, and this acquisition is the first step. The current SOCCEM site, located in Saint-Ulphace (72320), produces [insert annual charcoal mass] tons of charcoal per year with 12 CML type metal kilns of 17 m3 each. The carbonization method is as follows: the lower zone of the kiln provides the heat necessary for pyrolysis by burning a part of the wood charge. Air inlets are arranged on the walls in this zone. Then, the heat, carried by air devoid of oxygen due to combustion, rises within the kiln, carbonizing the rest of the charge. Gases (a mixture of water, CO2, CO, H2, CH4, and a number of tars) are produced during pyrolysis and burned in a flare to limit the release of fine particles (CO) and greenhouse gases (CH4 and tars). These kilns are reaching the end of their lifespan. However, this technology has two limitations in terms of efficiency: Material: since a portion of the charge is consumed to provide heat, it will not produce charcoal (complete oxidation of the charcoal during combustion in this zone). Energy: since the heat produced by the combustion of pyrolysis gases in the flare is currently not utilized. These represent an environmental problem and an economic loss for the company. Therefore, Euro-Energies aims to modernize and optimize its production facility. Thus, the project leading to this thesis was born. Furthermore, the implementation of a log wood activity on this site (as can be found, for example, at Bois Factory 72 in the same company) is planned. Thesis Objectives: The main objective of this CIFRE thesis is to support Euro-Energies in its project by providing scientific knowledge, modeling, and experimental data. A literature review will be conducted to gain an overview of carbonization and guide technological choices during key stages of the project. It will focus on modern carbonization processes (currently used in France, for example), excluding semi-buried kilns, rectangular masonry kilns, ''beehive'' type, ''Hot-tail,'' etc. Where possible, these will be studied from an energy and material perspective to describe their operation as accurately as possible. The modeling will focus on several points. Firstly, the carbonization process and its coupling with the log wood activity. It will be divided into several components associated with the stages of the process such as long drying, pre-carbonization drying, pyrolysis, and combustion of gases. Aspen Plus, a process modeling software (often used in chemistry, pharmaceuticals, and petrochemicals), will be used for this purpose. Secondly, following the experiments, models of certain parts of the process will be proposed to increase the reliability of the Aspen model. The experimental data will first be used to develop the model and also for future operation of the facility (for example: optimal temperature and air flow parameters for drying).