Matériel et méthodes
II.1 Matières premières : bois
II.3.3 Propriétés mécaniques des charbons de bois
II.3.3.a Résistance à la compression
La résistance à la compression, ou résistance mécanique à l’écrasement, du charbon de bois fait référence à sa capacité à supporter une charge ou une force qui tend à réduire sa taille par compression (écrasement). Elle peut être utilisée pour évaluer sa capacité à résister aux contraintes mécaniques pendant le transport et la manutention, ainsi qu’aux contraintes existantes dans la charge du four [82,100].
Cette propriété est généralement évaluée par compression statique d’une pièce de charbon jusqu’à rupture. Pour ce type d’essai, la pièce étudiée doit posséder deux surfaces plates et parallèles où la charge est appliquée et doit être exempte de vides et de fissures [82]. Par conséquent, ce type d’essai n'est pas approprié pour déterminer la résistance à la compression de charbons de bois produits dans les réacteurs industriels dans lesquels les particules ont une forme irrégulière et contiennent des fissures. De plus, le comportement en compression d’une seule particule de charbon ne semble pas représentatif du comportement en lit du charbon de bois en milieu industriel.
Dans cette étude, la résistance à la compression du charbon de bois en lit a été évaluée. Le protocole d’essai utilisé s’inspire de celui mis au point par le Laboratório de Painéis e Energia da Madeira (LAPEM) du département de génie forestier de l'Université fédérale de Viçosa (Brésil). Une procédure similaire a été utilisée par Assis [100]. Les essais de compression du lit se basent sur l’écrasement d'une quantité d’échantillon de charbon de bois de taille contrôlée par une charge compressive et l'analyse subséquente de la distribution granulométrique des échantillons. Les essais ont été conduits à l’unité BioWooEB du Cirad (Montpellier, France), où un dispositif expérimental spécifique a été conçu (Figure II.9).
Un volume de 5 L de charbon de granulométrie [22,4 - 32] mm ou [22,4 - 26,5] mm est placé dans une enceinte cylindrique ayant un diamètre interne de 285 mm. Le lit est formé de trois couches de charbon et correspond à une masse comprise entre 500 g et 1 kg selon l’essence choisie. Les dimensions de l’enceinte par rapport aux dimensions des morceaux de charbon permettent de négliger les effets de bord. L’enceinte est placée dans une machine d'essai universelle (ADAMEL Lhomargy DY 36 - DY36D MTS) et une force est appliquée par un piston d'un diamètre de 275 mm à une vitesse
constante de 0,05 mm.s-1 jusqu’à atteindre la pression de 2 kg.cm-2. Le piston est monté sur une rotule
pour assurer l’application uniforme de la force sur toute la surface du lit.
Figure II.9 : Dispositif expérimental pour les essais de compression.
La granulométrie utilisée pour les essais de compression est différente entre la première et la seconde partie de l’étude, les échantillons de charbon de bois ayant des dimensions variables selon les essais de carbonisation. La variation de volume causée par le retrait lors de la carbonisation du bois dépend, entre autres facteurs, de la température finale de pyrolyse et de l’essence de bois considérée. Ainsi, pour la première partie de l’étude les essais de compression ont été réalisés avec une granulométrie comprise entre 32 et 22,4 mm pour Epi et E.glo et avec une granulométrie comprise entre 26,5 et 22,4 mm pour la deuxième partie de l’étude.
Après compression, le charbon est tamisé à travers une colonne de tamis et la masse des différentes fractions est mesurée afin d’obtenir la distribution granulométrique. La résistance à la compression peut être quantifiée à l’aide d’un indice de stabilité S (%), indicateur de la capacité du charbon à résister à la rupture. Il s’agit du pourcentage de charbon de bois retenu par un tamis donné par rapport à la masse initiale et est défini par l’équation :
𝑆 = 𝑚𝑟
𝑚𝑖 × 100 (II.10)
où mi (g) est la masse initiale du charbon avant la compression et mr (g) la masse du charbon après
tamisage retenue par le tamis concerné. Dans cette étude, la quantité de charbon de bois retenue par le tamis d’ouverture 18 mm a été arbitrairement choisie pour calculer l'indice S. Les résultats sont la moyenne de deux essais.
II.3.3.b Friabilité
La friabilité est la capacité du charbon à produire de fines particules (fines) en raison de l'action combinée de l'abrasion, des chocs et de la chute, en particulier pendant la manutention et le transport [3].
Il n'y a pas de méthode standard pour évaluer cette propriété dans le charbon de bois. Dès lors, nous avons choisi d'utiliser le test de tambour comme décrit par Oliveira, et al. [3], avec certaines adaptations. Des procédures similaires ont été utilisées par d'autres auteurs [93,104]. Le dispositif expérimental (Figure II.10) comprend un tambour rotatif (diamètre 30 cm et longueur 25 cm) fixé sur un axe horizontal. Le tambour est équipé d'une plaque d’acier le long d'un rayon. Un échantillon de charbon de bois d'une masse de 150 g et de comprise entre 32 et 26,5 mm est placé dans le tambour et soumis à une rotation à 30 tr.min-1 pendant 15 minutes. Les morceaux de charbon de bois sont
soumis à des chocs et des frictions entre eux et le tambour. Ils sont également soumis à une chute depuis le haut du tambour lorsqu’ils sont entrainés par la plaque logée dans le tambour.
Figure II.10 : Tambour rotatif utilisé pour le test de friabilité.
Le charbon est ensuite tamisé à travers une colonne de tamis et la masse des différentes fractions produites est mesurée afin de déterminer la distribution granulométrique. La friabilité peut être quantifiée par l'indice de friabilité F (%), qui donne une idée de la quantité de fines qui peut être produite potentiellement par le charbon de bois. Il est calculé comme le pourcentage de charbon passant à travers un tamis donné selon l’équation.
𝐹 = 𝑚𝑖− 𝑚𝑟
où mi (g) est la masse initiale de charbon de bois avant qu'il soit placé dans le tambour et mr (g) la
masse du charbon après tamisage retenue par le tamis concerné. Dans cette étude, le charbon de bois ayant une taille inférieure à 6,3 mm est considéré comme une particule fine. Cela correspond à la taille des particules fines à éviter dans le procédé de production du silicium [17]. Les résultats sont la moyenne de deux essais.