Soutenance mémoire
La pyrolyse oxydante d’une particule de bois
Le smouldering
Le smouldering se caractérise par la propagation d’une zone d’oxydation, ZO, dans un milieu poreux. La propagation de cette zone d’oxydation, ou front de combustion, transforme la biomasse en gaz et en résidu solide. Les réactions d’oxydation constituent la source d’énergie nécessaire pour maintenir le smouldering [22]. Le processus est considéré rentable en énergie à cause de son autonomie. En d’autres termes, une fois la zone d’oxydation initiée par un apport local d’énergie, le processus ne nécessite aucune autre source d’énergie externe supplémentaire pour maintenir sa propagation.
Échelle moléculaire
À l’échelle moléculaire, les phénomènes physiques de transferts sont négligeables et les réactions chimiques sont dites ’intrinsèques’. La pyrolyse de la biomasse produit des gaz permanents légers, des gaz condensables (eau et goudrons) et une matrice fortement carbonée et poreuse (char). D’un point de vue chimique, le processus est très complexe car il met en jeu un très grand nombre de réactions qui peuvent avoir lieu simultanément ou successivement. De nombreux modèles intrinsèques ont été développés [39–42]. Certains sont très complexes et font intervenir des réactions chimiques détaillées. Mais, ces modèles sont souvent simplifiés en quelques réactions, consécutives ou encore compétitives. Le schéma global à une étape est le mécanisme le plus simple ; il consiste à décomposer la matière organique en substances volatiles, char et goudrons [43, 44] (figure 1.5). Les conditions opératoires, comme la vitesse de chauffe et la température finale, influencent directement la vitesse de conversion, le rendement ainsi que la composition des produits de pyrolyse. En augmentant la température, le temps nécessaire pour atteindre une certaine conversion et la masse du produit résiduel final (char) diminuent, tandis que la masse des gaz et des goudrons augmente [45–48]. L’influence de la vitesse de chauffe peut être interprétée par le biais de l’effet de la température et du temps de séjour de l’échantillon [48,49]. En diminuant la vitesse de chauffe de l’échantillon, le temps nécessaire pour atteindre une certaine température augmente et la conversion obtenue à cette température augmente également.
Échelle de la particule
À l’échelle de la particule, des phénomènes physiques de transfert de chaleur et de matière et d’écoulement des gaz interviennent et influencent les cinétiques de dégradation de la biomasse. De nombreuses études dans la littérature ont exploré l’influence de la taille des particules sur la pyrolyse : les pertes de masse et les températures au sein d’une particule sphérique [56–58] ou cylindrique [59–61] ont été mesurées en fonction du temps. Pour des particules de quelques millimètres (de 10 à 50 mm), le temps de pyrolyse nécessaire augmente avec la taille des particules [60]. L’augmentation de la taille des particules conduit à des gradients de température plus importants à l’intérieur de la particule, qui provoque une augmentation du rendement en char et une diminution du rendement en gaz [15, 62, 63]. Certaines études ont montré que l’influence de la taille des particules sur la composition des produits de pyrolyse n’est pas prépondérante pour de petites particules < 5 mm, une vitesse chauffe de 40−50oC/min et une température finale de 500oC [15,64]. Du point de vue thermique, de nombreux auteurs ont mesuré des gradients importants entre la température à la surface et celle au cœur de la particule [59, 60, 65, 66] ; ces gradients étaient liés aux transferts thermiques internes.
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Table des matières
Résumé Abstract Table des matières Liste des tableaux Table des figures Liste des symboles Introduction générale Contexte et enjeux La conversion de la biomasse La pyrolyse oxydante en lit fixe Le smouldering L’approche multi-échelle Échelle moléculaire Échelle de la particule Échelle du lit fixe Positionnement et objectifs de la thèse Étude expérimentale de la pyrolyse oxydante d’une particule de bois Bibliographie Réactions chimiques et cinétique intrinsèque Échelle de la particule Analyses des régimes thermiques Réactions hétérogènes gaz-particule Dispositifs expérimentaux ATG régime thermique isotherme ATG régime thermique non-isotherme Mesure de températures au cœur d’une particule Mise en place des essais Description des particules de bois Effet du panier Effet du débit de gaz introduit Essais de répétabilité Résultats Effet de l’oxygène sur la dégradation Prise en compte de la température de la paroi Tp En mode batch En mode continu Résolution numérique Résultats En mode Batch Étude de sensibilité Détermination des valeurs de ξ, Ω et hps Étude numérique de l’influence des paramètres principaux En mode Continu Comparaison modèle/expérience Comparaison batch/continu Conclusion Conclusion générale Bibliographie
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