Modélisation de la torréfaction de biomasse dans un four à soles multiples

Dans le contexte énergétique actuel, la biomasse est une ressource abondante et renouvelable qui peut être valorisée énergétiquement directement sous forme de chaleur ou indirectement sous forme de gaz ou de biocarburants. Pour cela, plusieurs procédés thermochimiques de dégradation de la biomasse sèche tels que la gazéification, la pyrolyse ou la combustion sont mis en œuvre. Cependant, la biomasse exploitable (forestière ou agricole) est caractérisée par un fort taux d'humidité, une broyabilité énergivore, une mauvaise coulabilité de sa poudre ainsi qu’une faible densité énergétique par rapport au charbon. La torréfaction est un prétraitement thermique entre 200 et 300 °C sous atmosphère inerte permettant d’améliorer la qualité de la biomasse en vue de sa valorisation énergétique. La biomasse torréfiée obtenue est hydrophobe, sèche et son pouvoir calorifique est plus élevé que la ressource brute.La description des mécanismes de dégradation de la biomasse au cours de la torréfaction a fait l’objet de nombreux travaux scientifiques. Cependant, il y a un manque d’études sur des procédés pilotes et de démonstration qui se limitent pour la plupart à l’analyse du produit principal : le solide.En considérant les phénomènes prépondérants influençant la dégradation thermique de la biomasse, l’objectif de ce travail est d’approcher cette problématique du passage à l’échelle, en cherchant à modéliser les rendements de torréfaction dans un four à soles multiples, qui constitue l’une des technologies de référence. Pour mener à bien ce travail, une étude cinétique réalisée à partir de mesures dans un analyseur thermogravimétrique a permis de valider sur les biomasses étudiées (le chêne et noyaux d’olives) le schéma semi-détaillé de dégradation développé par Ranzi et Anca-Couce. Ensuite, des mesures de distribution de temps de séjour dans ce four ont permis d’estimer l’influence des paramètres opératoires sur le mouvement des particules et d’identifier les principaux mécanismes en jeu. Si la vitesse de rotation de l’axe du four est le levier principal pour contrôler le temps de séjour de la ressource, le débit d’alimentation et l’espacement entre les dents d’un même bras ont une influence importante sur la distribution de temps de séjour. Le transport des particules dans le four est fortement dispersif. Sur l’ensemble des essais, le temps de séjour des particules dans le four est compris entre 50 % et 150 % du temps de séjour moyen. La dernière étape consiste à développer un modèle thermique complet du four à soles multiples intégrant la cinétique chimique et un modèle de transport de la biomasse. Les résultats sont alors confrontés à des mesures expérimentales réalisées dans un four à soles multiples traitant entre 40 et 80 kg/h de ressource de 250 à 300 °C. Le modèle développé décrit de manière satisfaisante les tendances observables expérimentalement. Le rendement solide est correctement décrit par le modèle mais le rendement en gaz permanent est sous-estimé de 34 % en moyenne. L’erreur relative sur le pouvoir calorifique supérieur de la ressource torréfiée est inférieure à 8 %. Expérimentalement, comme attendu, la température de torréfaction influence significativement les rendements et produits de torréfaction. Plus rarement rapporté dans la littérature, l’impact du taux d’humidité de la ressource traitée sur les rendements obtenues est également considérable.