La biomasse : composition, type et valorisation

La biomasse : composition, type et valorisation

Définition

La biomasse représente l’ensemble des matières organiques d’origine végétale ou animale. Elle peut être issue des forêts, des déchets organiques, des effluents d’élevage, des coproduits agricoles ou des milieux marins et aquatiques. L’article 19 de la loi n°2009-967 de programmation relative à la mise en œuvre du Grenelle de l’Environnement [3], du 3 août 2009, définit la biomasse comme « La fraction biodégradable des produits, déchets et résidus provenant de l’agriculture, y compris les substances végétales et animales, issues de la terre et de la mer, de la sylviculture et des industries connexes ainsi que la fraction biodégradable des déchets industriels et ménagers ». Dans notre étude, nous nous intéressons à la biomasse végétale qui est essentiellement constituée de polymères complexes à base de carbone, d’hydrogène, d’oxygène, d’azote et de quelques composés inorganiques en faibles proportions.

✦ La biomasse lignocellulosique
La matière lignocellulosique est la partie fibreuse présente dans la paroi des cellules des végétaux comme les pailles ou les cosses. La biomasse lignocellulosique est composée principalement de trois polymères (Figure 1. 1) : la cellulose, l’hémicellulose et la lignine. Cette biomasse, qui ne fait pas partie de la chaîne alimentaire humaine, est d’un grand intérêt pour la valorisation énergétique puisqu’elle est non seulement la seule ressource renouvelable susceptible de répondre à la demande en carburants liquides mais qu’elle représente également un gisement potentiellement disponible. Le bois est un exemple typique d’une biomasse lignocellulosique. Il a été un des premiers matériaux utilisés par l’homme comme combustible et grâce à ses qualités écologiques, il est devenu de plus en plus recherché.

Classification de la biomasse

En raison de la diversité des ressources et des propriétés de la biomasse, plusieurs approches de classification ont été proposées dans la littérature [5]. Dans ce travail nous nous intéressons principalement aux résidus des différentes opérations de traitement de la biomasse. Pour des raisons économiques, ces résidus ont suscité l’intérêt de la majorité des utilisateurs de la biomasse. La classification basée sur l’origine des résidus de la biomasse est la mieux adaptée à notre étude [6][7]. Les résidus de la biomasse sont donc divisés en quatre catégories :

✦ résidus primaires : les sous-produits des cultures vivrières et des produits forestiers (bois, paille, céréales, maïs…) ;
✦ résidus secondaires : sous-produits de la transformation de la biomasse (industries du sciage et du papiers, industries alimentaires…) ;
✦ résidus tertiaires : sous-produits des produits dérivés de la biomasse utilisée (déchets bois de construction et de démolition, poteaux d’électricité…) nommée souvent biomasse contaminée ;
✦ les cultures énergétiques : les cultures dédiées à la valorisation énergétique de la biomasse (Taillis à Très Courte Rotation (TTCR) de saule, Miscanthus…).

Composition et structure de la biomasse

L’humidité
L’eau contenue dans la biomasse peut atteindre 50 % de sa masse. Après un séchage naturel, l’humidité peut être réduite à environ 10 %, en fonction des conditions de stockage. On peut distinguer deux formes d’eau dans la biomasse, la vapeur d’eau et l’eau libre de capillarité contenue dans les parois cellulaires et les pores. Il est toujours recommandé de se référer à la matière sèche pour exprimer une composition ou un rendement d’une opération sur la biomasse [7].

Composition macromoléculaire

Cellulose
La cellulose est un sucre, une molécule organique de formule (C6H10O4)n, avec 200<n<3000 [8]. Ce polymère linéaire de glucose a une structure fibreuse constituée de longues chaînes de molécules de O-glucose reliées entre elles par des liaisons ß-1,4- glucosidiques. La réunion de plusieurs de ces macromolécules linéaires est assurée grâce aux groupements hydroxyles de la cellulose entre lesquels s’établissent des liaisons hydrogène intra et intermoléculaires. Des liaisons hydrogène peuvent également s’établir entre les chaînes de cellulose et l’eau [9].

Hémicelluloses
Les hémicelluloses sont des polysaccharides construits à partir de plusieurs unités différentes de sucres de formule C6H8O4. Leurs chaînes sont plus courtes que celles de la cellulose et elles portent des ramifications. Ces polysaccharides dont la chaîne principale linéaire est constituée de xylose, de mannose et de galactose, sont solubles dans l’eau et peuvent être extraits de la paroi des cellules végétales par des solutions acides. La quantité d’hémicellulose dans la biomasse varie de 20 % à 30 % en masse [10]. De tous les polymères de la biomasse, les hémicelluloses sont les plus instables thermiquement [9].

Lignine
La lignine est la deuxième molécule organique la plus abondante sur Terre après la cellulose. La lignine est un polymère tridimensionnel amorphe appartenant aux composés phénoliques. Elle a une composition et une structure très variables. Sa teneur dans la biomasse varie de 15 % à 30 % [11]. La lignine joue le rôle de colle entre les différents polymères constituant la biomasse. Parmi les trois substances macromoléculaires, la lignine est la première qui commence à se transformer dès les faibles températures (110 °C-200 °C). A ces températures seules des réactions de condensation se produisent, tandis que la dégradation proprement dite n’intervient qu’au-delà de 400 °C [12][13].

Composition élémentaire 

Les éléments majoritaires
La biomasse, considérée principalement comme un combustible, peut être aussi classée selon sa composition chimique, principalement en fonction des rapports H/C et O/C. Le diagramme de Van Krevelen (Figure 1. 2) illustre les divers produits carbonés classés selon ces deux rapports. Ce diagramme peut être utilisé pour déduire la structure chimique de certains combustibles et des carburants organiques. D’une manière générale, la biomasse est constitué d’environ 50% en masse de carbone, 43 % d’oxygène, 6 % d’hydrogène et 1 % d’éléments inorganiques [10]. La biomasse est un matériau très oxygéné en comparaison avec les combustibles fossiles tels que le pétrole et le charbon. Cette spécificité permet d’expliquer la faible densité énergétique de la biomasse par rapport aux combustibles fossiles, l’énergie contenue dans les liaisons C-O étant plus faible que celle contenue dans les liaisons C-C.

Les espèces inorganiques
La biomasse contient également des espèces inorganiques comme les minéraux, les métaux lourds et les halogènes. Lors de la valorisation énergétique de la biomasse, ces éléments sont retrouvés en majorité dans les cendres. La teneur et la composition des cendres sont très variables suivant le type de la biomasse étudiée, et aussi le lieu et la période de collecte. Les cendres sont principalement constituées d’oxydes de calcium, de potassium et de magnésium qui représentent l’essentiel de la matière minérale [10].

Les métaux lourds dans la biomasse

Les métaux lourds peuvent être incorporés à la biomasse à l’état de traces au cours de sa croissance, mais peuvent être présents à de fortes concentrations dans certaines applications. Les boues d’épuration et certains résidus agricoles contiennent des teneurs élevées en métaux lourds [16]. Toutefois, dans cette partie, nous présentons seulement les gammes de concentrations en métaux lourds présents dans le bois brut, les déchets de bois et les plantes de phytoextraction.

Bois brut
Le bois brut contient naturellement des métaux comme le Fe, le Zn et le Pb, le plus souvent sous forme de carbonates [16]. Les proportions de ces métaux lourds sont généralement très faibles dans le bois brut et dépendent beaucoup de l’origine de ce dernier. Avec les minéraux, ces métaux se retrouvent après un traitement thermique majoritairement dans les cendres qui représentent 1 % de la composition initiale du bois. Le Tableau 1.1 résume quelques ordres de grandeur de concentrations en métaux lourds pour quatre essences de bois brut. Le fer est le métal le plus présent dans ces quatre essences vu que les sols sont souvent riches en Fe. Baize [17] a d’ailleurs mentionné que plus il y a de fer dans un sol, plus forte sera la teneur en Co, Cr, Cu, Ni et Zn dans la biomasse. Cependant, ce n’est pas toujours le cas pour le bois .

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Etat de l’art
1.1 Introduction
1.2 La biomasse : composition, type et valorisation
1.2.1 Définition
1.2.2 Classification de la biomasse
1.2.3 Composition et structure de la biomasse
1.2.3.a L’humidité
1.2.3.b Composition macromoléculaire
1.2.3.c Composition élémentaire
1.2.4 Les métaux lourds dans la biomasse
1.2.4.a Bois brut
1.2.4.b Déchets de bois
1.2.4.c Plantes de phytoextraction
1.2.5 Les différentes voies de valorisation de la biomasse
1.2.5.a Biomasse non contaminée
1.2.5.b Biomasse contaminée
1.3 Pyro-gazéification de la biomasse
1.3.1 Les étapes de la pyro-gazéification
1.3.1.a Le séchage
1.3.1.b La pyrolyse
1.3.1.c Conversion des goudrons
1.3.1.d La gazéification du charbon (char)
1.3.2 Les produits de la pyro-gazéification
1.3.2.a Gaz de synthèse (syngas)
1.3.2.b Les goudrons
1.3.2.c Le charbon / char
1.3.3 Agent gazéifiant
1.3.4 Les cendres
1.4 Les métaux lourds au cours de la pyro-gazéification de la biomasse – Rôles et comportements
1.4.1 Comportement des métaux lourds au cours du traitement thermique de la biomasse contaminée
1.4.1.a Devenir des métaux lourds
1.4.1.b Vaporisation des métaux lourds
1.4.1.c Paramètres influençant le comportement et la spéciation des ML
1.4.2 Influence des métaux lourds sur la pyro-gazéification
1.4.2.a Catalyseur à base de métaux lourds
1.4.2.b Rôles des métaux lourds insérés dans la matrice de la biomasse lignocellulosique
1.4.2.c Effet des métaux lourds sur les paramètres cinétiques
1.5 Conclusions
Chapitre 2 Préparation, caractérisation et sélection des échantillons de bois imprégnés
2.1 Introduction
2.2 Préparation des échantillons du bois imprégnés
2.3 Méthodes de caractérisations physico-chimiques des échantillons
2.3.1 Analyses élémentaires
2.3.2 Minéralisation des échantillons
2.3.2.a Dispositif expérimental
2.3.2.b Protocole de minéralisation
2.3.3 Analyses des métaux par ICP-OES
2.3.4 Analyses des halogènes
2.3.5 Microscopie électronique à balayage (MEB)
2.3.6 Analyses thermogravimétriques
2.4 Influence du pH sur la spéciation du Ni dans la solution d’imprégnation
2.5 Caractérisations des échantillons imprégnés
2.5.1 Compositions élémentaires
2.5.2 Structure des échantillons : MEB
2.5.3 Analyses thermiques : TG-DTG
2.5.3.a Echantillons imprégnés durant 72h
2.5.3.b Échantillons imprégnés durant 24 h
2.6 Choix des conditions d’imprégnation
2.7 Compositions type du bois et des échantillons retenus
2.7.1 Compositions complètes des échantillons
2.7.2 Taux de cendre et matières volatiles
2.8 Conclusions
Chapitre 3 : Etude thermodynamique du comportement des métaux lourds contenus dans le bois de saule dans les conditions de pyro-gazéification
3.1 Introduction
3.2 Etude bibliographique
3.2.1 Méthodes de calcul des équilibres thermodynamiques
3.2.1.a Méthode de minimisation de l’enthalpie libre
3.2.1.b Modèles décrivant l’enthalpie libre d’une phase
3.2.2 Logiciels de calcul et bases de données thermodynamiques
3.2.3 Contraintes de calculs et stratégies adoptées
3.3 Méthodologie adoptée dans ce travail
3.3.1 Composition de la biomasse
3.3.2 Logiciel et bases de données utilisés
3.3.2.a Limitations du logiciel
3.3.2.b Exclusion d’espèces gazeuses
3.3.3 Conditions des calculs
3.3.3.a Température et pression
3.3.3.b Système fermé / ouvert
3.3.3.c Agent gazéifiant
Conclusion générale

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