Conclusion de l’état de l’art

La description complète de la dégradation thermique de la biomasse est très complexe. Il s’agit

d’un problème multi-composé, multi-phase et multi-échelle. Le bois est un mélange de

cellulose, d’hémicellulose, de lignine et d’autres composés. Sa décomposition donne un grand

nombre d’espèces liquides, gazeuses et solides. Durant la combustion, ces composés vont subir

des réactions secondaires pour donner naissance à d’autres espèces.

Nombreux sont les modèles cinétiques de pyrolyse de la biomasse proposés dans la littérature.

En général, les modèles cinétiques globaux permettent une certaine compréhension de la

cinétique de la pyrolyse de la biomasse, mais sans prédire, en détails, la formation des différents

produits. De plus, l’utilisation de ce type de modèles ne permet pas d’avoir d'informations

détaillées en termes de voies réactionnelles.

Le mécanisme cinétique semi-détaillé développé par l’équipe du professeur Ranzi, peut être

considéré comme le modèle le plus sophistiqué à ce jour pour étudier la pyrolyse de la biomasse

et prédire les rendements et la composition du gaz, du goudron et des résidus solides produits.

Récemment, des modèles mécanistiques ont été développé pour étudier la pyrolyse des

constituants de la biomasse notamment la cellulose. Ce type d’approches permet d’obtenir des

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informations à l’échelle moléculaire et d’identifier les différentes voies de décomposition des

polymères constituant la biomasse. Néanmoins, ces mécanismes sont générés par des logiciels

et des outils internes, ce qui rend difficile leur utilisation par d’autres chercheurs.

Pour prendre en compte l’effet des réactions secondaires en phase gazeuse des composés

volatils produits au cours de la pyrolyse de la biomasse, il faut coupler le schéma cinétique de

la dévolatilisation aux réactions de décomposition des goudrons primaires. Étant donné le grand

nombre de produits formés, des composés modèles ou «surrogates» sont choisis pour

représenter les goudrons issus, soit de la pyrolyse de l’holocellulose (LVG, HAA, HMFU,

furfural...), soit de la pyrolyse de la lignine (phénol, gaïacol, anisole...).

La combustion du bois est peu étudiée dans la littérature, par rapport à sa pyrolyse. Les

mécanismes cinétiques d’oxydation de la biomasse proposés sont généralement constitués par

une ou plusieurs réactions globales qui ne représentent pas la chimie complexe impliquée par

la combustion de la biomasse. Pour prédire avec précision la formation des polluants, il faut

faire recours à des mécanismes cinétiques de combustion du bois plus détaillés

Différents phénomènes physiques (transfert de chaleur, diffusion, écoulement...) peuvent

également intervenir dans la combustion de la biomasse. Un modèle global de combustion de

bois nécessite, alors, à la fois un schéma cinétique détaillé et un modèle de transfert thermique.

Les approches CFD sont très utilisées dans la littérature, pour étudier l’écoulement au cours de

la combustion de la biomasse. Ces approches, gourmandes en temps de calcul, utilisent

généralement des mécanismes cinétiques peu détaillés qui ne permettent pas de suivre la

formation des polluants.

L’approche compartimentale, basée sur le développement des réseaux de réacteurs idéaux

équivalents (ERN Equivalent Reactor Network) a été également utilisée pour modéliser la

dégradation thermique de la biomasse, notamment au cours de la gazéification. Cette approche

qui modélise l’aéraulique dans des systèmes plus au moins complexes d’une façon simplifiée,

permet de prendre en compte une chimie plus réaliste.

Ce présent travail a pour objectif de développer un modèle global de la combustion du bois

dans les appareils de chauffage domestique. Pour ce faire, un modèle cinétique détaillé est

développé pour représenter à la fois la dévolatilisation de la biomasse et les réactions

secondaires en phase gazeuse des composés volatiles émis au cours de la pyrolyse primaire. Le

modèle cinétique de pyrolyse utilisé est celui de l’équipe du professeur Ranzi [82], qui peut

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être considéré comme le mécanisme le plus complexe à ce jour pour décrire la dévolatilisation

de la biomasse. Différents tests sur des points expérimentaux issus de la littérature sont réalisés

pour connaître les limitations de ce modèle. La description du modèle de pyrolyse primaire, les

hypothèses adoptées et les différents tests font l’objet du chapitre 2. A ce modèle de

dévolatilisation, un modèle de pyrolyse secondaire et de combustion est ajouté. Ce modèle est

composé essentiellement par des mécanismes d’oxydation des surrogates choisis pour

représenter les composés volatils issus de la pyrolyse d’holocellulose (cellulose-hémicellulose)

et de la lignine. Le mécanisme global ainsi développé, BioPOx (Biomass Pyrolysis and

Oxidation) est validé sur un grand nombre de points expérimentaux de la littérature. La structure

de ce modèle BioPOx ainsi que les différents tests effectués sont décrits au chapitre 3.

Afin de modéliser la combustion d’une bûche de bois dans un poêle, le modèle cinétique global,

BioPOx, est couplé à un modèle de transfert de chaleur simplifié.L’approche ERN, permettant

l’utilisation d’une chimie détaillée en simplifiant le modèle d’écoulement, est adoptée au cours

de ce travail pour modéliser le fonctionnement d’un insert à bûche, représenté par un réseau de

réacteurs chimiques idéaux.

Le modèle global qui considère à la fois une cinétique chimique détaillée et le transfert

thermique est validé sur des résultats expérimentaux sur les émissions gazeuses obtenues dans

un insert à bois. La description du modèle thermique, son couplage avec le modèle cinétique

BioPOx, ainsi que la validation du modèle global sont abordés dans le chapitre 4.

Chapitre 2 : Modèle cinétique de la