La densification de la biomasse

La densification de la biomasse

Très simplement, la densification peut être considérée comme étant une opération assurant le passage d’une matière de l’état particulaire à l’état consolidé à travers une presse à l’aide ou non d’un agent liant. Elle s’adresse de ce fait à des matières à l’état particulaire de nature (sciure et copeaux de bois, balles de riz, etc.) ou résultant d’un broyage préalable en vue de leur valorisation énergétique (résidus agro industriels et plantes herbacées). Les principales ressources de matières lignocellulosiques densifiables sont : l’exploitation forestière (écorce, sciure), la transformation mécanique du bois (copeaux de toutes sortes, sciure, chutes diverses), l’agriculture (balles de riz, paille de blé, etc.) et les agro-industries (parche de café, fibres de coco et de palmes), les formations herbacées (herbes de savanes (Hypparhenia), Lantana camara, etc.) [6], [7]. En somme, il s’agit d’une valorisation de déchets ou de résidus. Les produits issus de la densification sont de deux types, classés selon leur diamètre : les pellets ou granulés et les briquettes.

Dans tout procédé de briquetage, un liant est nécessaire pour assurer la liaison entre les particules. Il peut s’agir d’un produit ajouté au processus ou inhérent à la matière mais libéré au cours du processus. Deux mécanismes se distinguent alors : la densification sans liant et la densification avec liant. Ils diffèrent par le niveau de pression utilisé, les presses et les caractéristiques des produits obtenus.

La densification sans liant

La densification sans liant se caractérise par l’utilisation de pression de compactage élevée c’est-à-dire supérieure à 100 MPa selon Eriksson et Prior [2]. En effet, cette pression élevée provoque une augmentation de chaleur due à la friction de la matière avec les parois du cylindre (moule) et favorise l’emboîtement mécanique des particules. De plus, elle libère la lignine [8], un polymère thermoplastique qui, à des températures supérieures à 100 ° C se fluidifie et agit comme un liant in situ [9]. Cette fluidification de la lignine et son refroidissement ultérieur, alors que le matériau est encore sous pression, est le facteur clé en briquetage à haute pression [9]. Générer des pressions de l’ordre de 120 – 150 MPa nécessite une presse spécifique. Aussi distingue-t-on généralement les presses à piston, les presses à vis et les presses à granuler. Elles diffèrent fondamentalement par leur principe de fonctionnement, leurs exigences technologiques vis-à-vis de la matière (cf. Tableau 1) et les caractéristiques des produits obtenus. Ces exigences technologiques supposent donc une préparation préalable des matières notamment par broyage et par séchage. Ce sont également les technologies utilisées en production industrielle des bûchettes et des granulés dans les pays développés. Il existe des variantes au sein d’une même catégorie de presse qui diffèrent entre autres par la capacité de production, la masse, les tolérances vis-à-vis de la matière première. En laboratoire, il est coutume d’utiliser les presses à piston. Les presses à haute pression sont généralement munies d’un moteur.

L’humidité minimum admissible n’est pas bien définie mais les matières trop sèches (2-3%) ne donnent pas de bons produits.

En densification sans liant, la granulométrie et l’humidité sont deux paramètres importants. Une granulométrie adéquate permet l’automatisation du système permettant ainsi d’obtenir une forte capacité de production mais aussi et surtout d’obtenir de bons produits. Une taille de particules supérieure à celle exigée par la presse obture le système de chargement [9] et affecte la solidité des produits. Une humidité trop élevée provoque une accumulation de vapeur d’eau altérant le système de chargement et quelquefois provoque l’éjection de la briquette dans une presse à vis [9] ou l’éclatement de la briquette, voire du moule, dans une presse à piston [6].

Les presses à piston 

Un piston équipé d’une tête de poussée et animé d’un mouvement de va-et-vient compacte la matière dans un cylindre prolongé par un canal de refroidissement. Ce dernier, dont la longueur peut atteindre 5 à 10 m, empêche le gonflement et la destruction des briquettes sous la pression interne de la vapeur d’eau produite lors de l’échauffement de la matière [6]. Le piston reçoit l’énergie d’un moteur (électrique ou à explosion) à travers un système hydraulique à haute pression ou bien grâce à un volant d’inertie. Les briquettes produites sont reconnaissables de par l’existence des interfaces de coups de piston . Pour en savoir davantage, il est conseillé de lire Eriksson et Prior [2] et Lequeux et al.[6].

Les presses à vis 

Dans les presses à vis, la biomasse est extrudée en continu grâce à une ou plusieurs vis rotatives à travers un moule de forme effilée. Les effets associés de la friction causée à la paroi du récipient et de la chaleur due à la friction interne dans la rotation du matériau et de la vis (600 tours/min) provoquent une augmentation de la température (avoisinant les 200°C) dans le système qui aide le réchauffement de la biomasse [10]. Les briquettes qui en résultent sont facilement reconnaissables par l’existence d’un trou central obtenu grâce à un axe situé au centre de l’orifice d’extrusion (cf. Photo 2). Pour plus de détails sur les presses à vis, il faut consulter Grover et Mishra [9]ainsi que Bhattacharya et al.[11].

Les presses à granuler

La presse à granuler possède une histoire plus récente dans le domaine de la densification à des fins énergétiques. Jusqu’en 1960, cette presse a été réservée exclusivement à la fabrication d’aliments pour le bétail. La matière est comprimée dans une matrice annulaire fixe munie de plusieurs filières grâce à un, deux ou trois rouleaux animés d’un mouvement rotatif [8]. A l’inverse, une autre variante propose une matrice annulaire tournant à grande vitesse alors que les rouleaux sont fixes. Une dernière variante utilise un disque horizontal (matrice à plateau) fixe dont la face supérieure est parcourue par des rouleaux [6]. Ces rouleaux presseurs ont pour mission de distribuer la matière de manière uniforme à l’intérieur de la matrice et d’assurer une répartition régulière de la pression. Les pressions de friction qui entrent en jeu sont de l’ordre de 100-150 MPa [12-8], 200 MPa [6] et provoquent une élévation de température de l’ordre de 163 à 176 °C [13-6], 179 à 193 °C [6]. L’apport de vapeur d’eau permet la lubrification et facilite la granulation qui, rappelons-le, se fait sans ajout d’agent de liaison, la lignine du bois jouant ce rôle [14]. A leur sortie de la filière, à l’aide de couteaux ajustables, les granulés sont coupés à la longueur souhaitée puis dirigés vers un refroidisseur , tamisés afin de séparer les fines et enfin stockés [14].

Le préchauffage de la biomasse

Cette section consiste en une amélioration ou une facilitation du processus de briquetage sans liant. En effet, la pression et la température élevées (200 à 250°C) requises appellent une importante consommation énergétique et favorisent l’usure accélérée des pièces maîtresses de la presse. Le préchauffage de la matière constitue une solution à ce problème. Le préchauffage a pour effet de réduire la résistance originelle ou la résilience des constituants fibreux. Avant d’être compactée, la matière est portée à une température de 200 – 250 °C, bien que la température maximale soit limitée à 350°C pour éviter la décomposition de la biomasse [9]. En conséquence, le chauffage de la biomasse permet une réduction très importante de la puissance requise (15-20%) avec une économie d’énergie évidente et la limitation de l’usure des machines [10]. En guise d’illustrations, Reed et al. [15-9] ont observé que le travail nécessaire pour la densification peut être réduit de moitié en préchauffant la matière végétale brute. Aqa et Bhattacharya [16] ont démontré une diminution de l’énergie électrique requise par kilogramme de 54 % pour densifier la sciure préalablement portée à 300°C. Grover et Mishra [9], Bhattacharya et al. [11] proposent des dispositifs de préchauffage de la biomasse.

Une presse générant des pressions élevées doit être certainement de constitution robuste, appelle une consommation énergétique importante et nécessite le broyage et le séchage des matières.

De telles opérations ont sûrement un coût conséquent. Pour ces raisons, nous avons décidé de ne pas opter pour la densification sans liant mais de nous tourner vers une autre plus simple et moins coûteuse.

La densification avec liant

Avec ce mécanisme, la liaison des particules est assurée par le liant. Kaliyan et Morey [8] définissent un liant, appelé aussi « additif », comme étant « un liquide ou un solide formant un pont, un film, une matrice ou crée une réaction chimique pour former de solides liaisons interparticulaires ». L’usage d’un liant s’explique par le fait que la pression développée par la presse n’est pas assez élevée pour permettre l’agglomération des particules selon le mécanisme précédent (cf. 2.2). Le compactage s’effectue alors à moyenne (5 – 100 MPa) ou à basse pression (0.2 – 5 MPa) [2].

Table des matières

1 INTRODUCTION
1.1 Contexte
1.2 Problématique, hypothèses et objectifs
2 ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE
2.1 La densification de la biomasse
2.2 La densification sans liant
2.2.1 Les presses à piston
2.2.2 Les presses à vis
2.2.3 Les presses à granuler
2.2.4 Le préchauffage de la biomasse
2.3 La densification avec liant
2.3.1 Les liants
2.3.2 Les presses
2.4 Les produits de la densification
2.4.1 Les pellets
2.4.1.1 Présentation
2.4.1.2 Fabrication
2.4.2 Les briquettes
2.5 Les études sur le briquetage
2.6 Le briquetage à Madagascar
2.7 Les combustibles concurrents
3 MATÉRIELS ET MÉTHODES
3.1 Procuration des matières premières
3.2 Caractérisation des matières premières
3.2.1 Détermination de la teneur en eau
3.2.2 Détermination de la granulométrie
3.2.3 Détermination de la masse volumique en vrac
3.2.3.1 Méthode de détermination
3.2.3.2 Détermination des quantités de sous produits générés par l’usine
3.3 Procédé de briquetage
3.3.1 Travaux préliminaires
3.3.1.1 Objectifs
3.3.1.2 La composition d’une briquette
3.3.1.3 Les étapes de fabrication d’une briquette
3.3.1.4 La presse utilisée et les accessoires
3.3.1.5 Les compositions testées
3.3.1.6 Critères de choix de la composition finale
3.3.2 Fabrication de briquettes à taille réelle
3.3.2.1 La composition
3.3.2.2 Les étapes de fabrication
3.3.2.3 La presse utilisée et les accessoires
3.3.2.4 Détermination de la pression de compactage
3.4 Les briquettes : un produit densifié
3.4.1 Détermination de la masse volumique
3.4.2 Détermination de la masse volumique en vrac
3.4.3 Détermination des propriétés physiques des briquettes
3.4.3.1 Test de compression
3.4.3.2 Test de résistance à l’impact
3.4.3.3 La durabilité
3.5 Les briquettes : un combustible
3.5.1 Détermination de la teneur en eau
3.5.2 Détermination du pouvoir calorifique
3.5.3 Détermination de la teneur en cendres
3.5.4 Détermination de la teneur en matières volatiles et en carbone fixe
3.5.5 Tests d’ébullition d’eau
3.5.5.1 Principe
3.5.5.2 Matériels
3.5.5.3 Déroulement du test
3.6 Détermination du coût de production de la tonne de briquette
4 RÉSULTATS et DISCUSSIONS
4.1 Caractérisation des matières premières
4.1.1 Humidité
4.1.2 Granulométrie
4.1.3 Masse volumique en vrac
4.2 Résultats des travaux préliminaires
4.2.1 Compositions à forte proportion en sciures (CFS)
4.2.2 Compositions à forte proportion en copeaux (CFC)
4.2.2.1 Pour le pin
4.2.2.2 Pour le palissandre
4.2.2.3 Densités des produits CFC
4.2.2.4 Modification du total
4.3 La pression de compactage
4.4 Résultats des briquettes en tant que produit densifié
4.4.1 Masse volumique
4.4.2 Masse volumique en vrac
4.4.3 Propriétés physiques
4.4.3.1 Test de compression
4.4.3.2 Test de résistance à l’impact
4.4.3.3 Test de résistance à l’abrasion
4.5 Résultats des briquettes en tant que combustible
4.5.1 Humidité
4.5.2 Pouvoir calorifique inférieur
4.5.3 Teneur en cendres
4.5.4 Teneur en matières volatiles et en carbone fixe
4.6 Résultats des tests d’ébullition d’eau
4.6.1 Énergie utile
4.6.2 Le temps d’atteinte de l’ébullition
4.7 Résultats de l’estimation du coût de production de la tonne de briquettes
5 CONCLUSION

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