Constitution chimique élémentaire des matériaux végétaux

I..22..22 CoCommppoossiittiioonn pphhyyssiiccoo--cchhiimmiiqquuee ddee llaa bbiioommaassssee

I.2.2.1 Constitution chimique élémentaire des matériaux végétaux

Une paroi cellulaire végétale est constituée essentiellement de quatre composants : la cellulose, l’hémicellulose, la lignine et des pectines.

La cellulose est une structure polymérique linéaire composée de résidus de glucose (entre 300 et 3000) liés par des liaisons β (1→4) glucosidiques [8].

Figure 4 : Représentation schématique de la cellulose

Figure 5 : Structure de la cellulose dans la paroi cellulaire des plantes La conformation de la structure globale de la cellulose est sous une forme linéaire (Figure 4). Plusieurs molécules de cellulose se regroupent en paquets, formant des structures appelées «micelles». Les micelles vont se grouper de façon parallèle et sont liées transversalement par des liaisons hydrogène pour former les « microfibrilles » de quelques microns de diamètre (Figure 5).

L’hémicellulose et les pectines sont perpendiculaires aux microfibres formés par plusieurs molécules de cellulose et se disposent en formant un réseau. L’hémicellulose est constituée d’environ 50 unités de sucres simples, où le composant majoritaire est le xylane, liés par des liaisons β (1→4) glucosidiques. Sa structure est similaire à celle de la cellulose mais peut avoir des liaisons croisées d’hexoses (glucoses, mannoses, galactoses) et/ou de pentoses (xyloses et arabinoses) et également d’acides aromatiques (Figure 6).

Figure 6 : Structures des molécules d'hémicellulose [8]

L’hémicellulose est liée à la cellulose par des liaisons hydrogène situées à la surface des microfibres. Les pectines et l’hémicellulose sont liées de façon croisée, ce qui conduit à un réseau sur la paroi des cellules végétales (Figure 7).

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JP TAGUTCHOU (2008) / Thèse / Gazéification du charbon de plaquettes forestières : particule isolée et lit fixe continu 14 Figure 7 : Structure et interconnections des différents polymères de la cellule végétale [8].

La lignine est un matériel de soutien abondant dans le bois, où elle se trouve également en proportions importantes dans les parois primaires et secondaires. C'est un polymère tridimensionnel, non fermentescible, insoluble dans l’eau et hydrophobe ; ce polymère est formé de radicaux phénoliques (phénylpropanes) tel qu'illustré par la Figure 8.

Figure 8 : Représentation schématique d'une molécule de lignine [8]

Chacun des constituants se trouve dans les végétaux dans des proportions spécifiques (Tableau 3) [9].

Tableau 3 : Composition chimique de quelques essences et résidus agricoles [9].

La cellulose est le constituant principal de la biomasse (environ 40% massique).

La lignine est caractérisée par un taux de carbone fixe élevé tandis que les holocelluloses (cellulose + hémicellulose) sont essentiellement caractérisés par des indices de matières volatiles élevés.

I.I.33 GAGAZZEEIIFFIICCAATTIIOONN

Rappelons que la gazéification est une réaction qui permet de transformer un combustible solide (biomasse) en un gaz combustible essentiellement formé d'hydrogène et de monoxyde de carbone, et dans une moindre mesure des hydrocarbures légers (CH4, C2H4, C2H6). Elle met en jeu un ensemble de transformations thermochimiques (séchage, dévolatilisation, craquage, reformage des gaz) parmi lesquelles la réaction de gazéification du char n'en constitue qu'une étape (Figure 9).

Figure 9 : Vue globale simplifiée des différents mécanismes mis en jeux dans le procédé de gazéification

La biomasse humide est d’abord séchée, puis subit l’étape de dévolatilisation (ou pyrolyse) produisant un ensemble de produits gazeux (matières volatiles) d’une part et un résidu solide (le char) essentiellement constitué de carbone d’autre part. Chacun de ces deux produits suit une voie de transformation spécifique pour aboutir à la production du combustible gazeux appelé gaz de synthèse (H2 + CO) :

- La phase gazeuse est constituée de matières volatiles dites primaires composées de gaz incondensables légers (CO, H2, CO2, CH4, C2H4, C2H6) et de condensables lourds (goudrons) ou légers (H2O). A des niveaux de température suffisamment élevés les hydrocarbures légers et les goudrons se scindent pour donner des molécules un peu plus légères appelées matières volatiles secondaires ou tertiaires : on parle alors de craquage

Résidu carboné Matières volatiles primaires

- gaz permanents « legers »

- gaz condensables lourds « goudrons »

Matières volatiles second./tert.

- gaz permanents « legers » - gaz condensables lourds « goudrons »

Dévolatilisation

- gaz permanents « legers »

- gaz condensables lourds « goudrons »

Matières volatiles second./tert.

- gaz permanents « legers » - gaz condensables lourds « goudrons »

Dévolatilisation

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JP TAGUTCHOU (2008) / Thèse / Gazéification du charbon de plaquettes forestières : particule isolée et lit fixe continu 16 thermique homogène ou secondaire. Ces gaz s'oxydent pour certains s'il y a apport d'oxygène (on parle d'oxydation homogène) ou réagissent avec la vapeur d'eau (on parle de reformage à la vapeur d’eau).

- Le résidu solide (char) est oxydé par la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone et l'oxygène pour produire à son tour le gaz de synthèse. Ces transformations que l'on englobe sous le nom de gazéification du char mettent en jeu des réactions chimiques hétérogènes et des mécanismes de transfert de chaleur et de masse dont l’étude constitue le noyau de cette thèse.

I.I.33..11 LeLess aapppplliiccaattiioonnss tteecchhnniiqquueess ddee llaa ggaazzééiiffiiccaattiioonn I.3.1.1 Electricité et chaleur (Cogénération)

L'application fondamentale et la plus courante du gaz de gazéification est le couplage avec un moteur pour la cogénération d'électricité et de chaleur. En fonction des niveaux de puissances et de la richesse énergétique du gaz, plusieurs types de moteurs sont utilisés :

& moteur à combustion interne (MCI) ou moteur à gaz (MAG) qui sont des moteurs à

allumage par injection (moteur diesel) ou par étincelle (moteur à essence –bougie d'allumage) plus ou moins modifiés. Ces moteurs peuvent fonctionner à 100% de gaz de gazéification (moteur à étincelle ou à essence) ou avec 10 à 25% de diesel (moteur diesel). Pour cette dernière catégorie, on parle alors de moteur "dual fuel", cette alternative de mélange permettant d'améliorer les rendements. Compte tenu de leurs faibles puissances, ces applications (MCI ou MAG) sont adaptées pour l'électrification rurale décentralisée [7].

& Turbine à gaz (TAG) : Une turbine à gaz est constituée d'un compresseur (10 à 25

bars) destiné à amener l'air comprimé dans une chambre de combustion où il doit réagir avec le gaz de gazéification sous haute pression. Les fumées de combustion sous haute pression et haute température (environ 1200°C) se détendent dans les pales d'une turbine qui entraine ainsi un arbre lié à un générateur d'électricité. Ces applications sont destinées aux grandes puissances et sont très exigeantes en terme de pureté de gaz.

& Turbine à vapeur (TAV) permettent par combustion du gaz de gazéification et à

travers un échangeur de produire de la vapeur d'eau pour alimenter la turbine.

Un intérêt de la gazéification est la possibilité de coupler les turbines à vapeur (TAV) avec les turbines à gaz (TAG) et d'additionner ainsi les rendements. Ceci est possible en récupérant la chaleur produite par la combustion du gaz dans les TAG pour produire de la vapeur d'eau utilisée par la suite dans les TAV.