Torréfaction à l’échelle pilote

Les études portant sur la torréfaction en continu à l’échelle pilote sont récentes : les plus anciennes datent de 2012. Les problématiques scientifiques et techniques rencontrées dans le cas d’un réacteur en continu à l’échelle pilote sont différentes du cas d’un réacteur à lit fixe à l’échelle laboratoire. Les éléments spécifiques à prendre en compte sont notamment :

- le mode d’apport de chaleur au réacteur et à la biomasse ;

- le contrôle de la température le long du réacteur et en fonction du temps ; - la distribution de temps de séjour de la biomasse ;

- l’alimentation en biomasse du réacteur et la récupération de la biomasse torréfiée ; - le traitement des espèces condensables et incondensables.

Les technologies utilisées pour la torréfaction et décrites dans la littérature sont le four à vis, le four tournant et le four vibrant.

1.5.2.1. Fours à vis

Ohliger et al. (2013) s’intéressent à la détermination de l’enthalpie de la réaction et à la broyabilité de la biomasse dans un four à vis. L’énergie est apportée à la biomasse par un flux d’air chaud dans une double enveloppe. La température du réacteur est mesurée à l’aide de thermocouples situés en paroi. Les conditions typiques de fonctionnement sont un débit de biomasse de 3 kg.h-1 et un temps de séjour de 40 min. Néanmoins, les méthodes de contrôle du débit et du temps de séjour ne sont pas explicitées.

Shang et al. (2014) ont étudié la torréfaction dans un four à vis. Dans ces expériences, des plaquettes de pin sont torréfiées à 250 et 280 °C pendant 1 h, à un débit de 6 kg.h-1. Un débit de N2 de 2,5 L.min-1 permet d’inerter le réacteur. Le réacteur et la biomasse sont

indirectement chauffés en brûlant du gaz de pétrole liquéfié. La température du réacteur est contrôlée à l’aide de onze thermocouples placés en paroi et à l’intérieur du réacteur. Le schéma du réacteur est présenté sur la Figure 1.21. La perte de masse du solide n’est pas

mesurée, celle-ci est calculée à partir d’un modèle cinétique à deux réactions successives développé préalablement en ATG et en réacteur à lit fixe. Le temps de séjour de la biomasse est fonction de la vitesse de rotation de la vis ; la distribution de temps de séjour de la biomasse n’est néanmoins pas étudiée.

Figure 1.21. Schéma d’un réacteur à vis de torréfaction. T1 à T11 représentent les

thermocouples au niveau de la vis d’alimentation, dans le réacteur et la double enveloppe (Shang et al., 2014).

Enfin, le dispositif expérimental utilisé par Nachenius et al. (2015b) est constitué de deux fours à vis en série, fournis par la société BTG. L’apport d’énergie est assuré par des résistances électriques. Celles-ci sont régulées à l’aide de thermocouples en paroi. L’alimentation en biomasse du réacteur est assurée par une vis sans fin, il s’agit donc d’un dosage volumétrique. D’autre part, le temps de séjour de la biomasse a été étudié dans des travaux antérieurs (Nachenius et al., 2015a). Différents paramètres sont testés, tels que la température (de 275 à 375 °C), le temps de séjour (de 5 à 16 min) et le débit (de 0,8 à 2,5 kg.h-1). La récupération des espèces condensables est assurée par lavage à l’eau. Ceci permet d’évaluer le rendement en espèces condensables mais empêche l’analyse ultérieure. Les bilans massiques globaux sont compris entre 95 et 105 %. Il semble néanmoins que le rendement en solide torréfié soit imprécis, du fait que la mise en régime est prise en compte dans le bilan.

1.5.2.2. Fours tournants

Les travaux de thèse de Colin (2014) portent sur la modélisation et l’étude expérimentale de la torréfaction en four tournant. Le transport de la biomasse au sein du réacteur, les transferts thermiques, le séchage et la torréfaction sont pris en compte dans des sous-modèles.

Stockage biomasse Pompe Échantillonnage Brûleur GPL Biomasse torréfiée Extraction gaz

D’un point de vue expérimental, la distribution du temps de séjour a été étudiée, en fonction de l’angle d’inclinaison du réacteur et de sa vitesse de rotation notamment. D’autre part, le réacteur est alimenté en biomasse à l’aide d’un doseur pondéral. Ce dispositif permet de contrôler finement le débit massique de biomasse, ce qui permet ensuite de déterminer le rendement en solide torréfié. Enfin, l’influence de la température, du temps de séjour et du taux de remplissage du réacteur10 sur les rendements en solide et ses propriétés ont également été étudiées.

Si ces expériences de torréfaction sont réalisées dans des conditions bien maîtrisées, les espèces condensables et incondensables n’ont pas été étudiées dans le cadre de ces travaux.

Enfin, Strandberg et al.(2015) ont étudié la torréfaction de biomasse en continu en four tournant. Le réacteur est chauffé à l’aide de cinq résistances électriques. La biomasse est alimentée par l’intermédiaire d’une vis sans fin. La distribution de temps de séjour de la biomasse a été étudiée à froid. D’autre part, les expériences de torréfaction menées ont montré l’apparition de réactions exothermiques dès 260 °C, résultant en une faible élévation de la température mais sans emballement thermique. Enfin, le taux de remplissage du réacteur influence d’une part le temps de séjour, et d’autre part la perte de masse. Ce paramètre doit donc rester constant lorsque les autres paramètres varient.

1.5.2.3. Réacteurs vibrants

La technologie choisie pour l’étude de la torréfaction à l’échelle pilote est le réacteur vibrant (chapitres 4 et 5). Pour la torréfaction, seuls deux systèmes basés sur ce principe sont connus : celui commercialisé par Revtech Process Systems et celui anciennement commercialisé par Stramproy Green.

1.5.2.3.1. Revtech Process Systems

Le premier se nomme REVE et est commercialisé par Revtech Process Systems, société basée à Loriol-sur-Drôme, en France. Si ce système était initialement destiné au traitement thermique d’aliments (farines, fruits à coques, céréales, etc.), il est appliqué depuis peu à la torréfaction de biomasse à des fins non alimentaires (Doassans-Carrère et al., 2014).

Le réacteur est un tube en acier inox en forme d’hélice circulaire. Il est fixé à un support posé sur amortisseurs et mis en mouvement par deux motovibrateurs. La biomasse introduite par le bas monte le long du tube. L’apport d’énergie est assuré électriquement : le réacteur est un tube à passage de courant. Le réacteur n’est pas équipé d’une entrée de gaz inerte, la teneur en

10

Le taux de remplissage est défini comme le rapport entre le volume occupé par la biomasse et le volume total du réacteur.

O2 diminue donc du fait de la formation des gaz de torréfaction. Un exemple de réacteur à

l’échelle pilote est présenté sur la Figure 1.22.

Figure 1.22. Photographie du réacteur REVE commercialisé par Revtech Process Systems.

* le manchon en silicone connecte la sortie du réacteur à l’entrée, le réacteur fonctionne alors en circuit fermé.

Le réacteur présenté ici appartient à l’Université fédérale de Pará, au Brésil. Le tube mesure environ 20 m de long. Un thermocouple de type K est situé au niveau de chaque spirale et permet la régulation par PID le chauffage du tube.

Quant au réacteur utilisé par Doassans-Carrère et al. (2014), il mesure 33 m de long et permet d’obtenir un temps de séjour de la biomasse de 10 min en fonctionnement continu. Les débits de biomasse étudiés sont de 40 et 80 kg.h-1, ce qui correspond à un taux de remplissage volumique de 13 et 26 % respectivement. La composition élémentaire et le PCS de plaquettes de bois torréfiées ont été mesurés.

Un système d’alimentation de la biomasse associable à un réacteur vibrant existe mais son fonctionnement n’est pas présenté.

Motovibrateur Tube réacteur en acier nox Isolant en laine de verre Amortisseurs Thermocouple Hublot Manchon en silicone*

1.5.2.3.2. Stramproy Green

La société Stramproy Green, basée à Steenwijk, aux Pays-Bas, commercialisait jusqu’en 2013 un réacteur de torréfaction vibrant, avant de faire faillite.

Une étape de séchage des plaquettes de bois précédait l’étape de torréfaction. Le réacteur de torréfaction était placé sur amortisseurs et mis en mouvement par des motovibrateurs, probablement au nombre de quatre (deux de chaque côté). Les gaz de torréfaction étaient ensuite brûlés. La biomasse torréfiée était enfin mise en granulés (Stramproy Green, 2012). L’apport d’énergie, la géométrie du réacteur, le temps de séjour et débit de biomasse, le système d’alimentation n’ont pas été explicités.

Le réacteur de torréfaction de Stramproy Green à Steenwijk est présenté sur la Figure 1.23.

Figure 1.23. Photographie du réacteur vibrant de torréfaction de Stramproy Green.

1.5.2.4. Conclusion

De la revue des études sur la torréfaction en continu à l’échelle pilote, plusieurs conclusions peuvent être tirées :

- les modes d’apport d’énergie (électrique, combustion et apport d’un gaz chaud) diffèrent d’un système à l’autre ;

- la température et le temps de séjour sont des paramètres cruciaux et nécessitent d’être rigoureusement étudiés et contrôlés ;

- le rendement en solide torréfié n’est pas toujours mesuré, soit car il ne s’agit pas d’un objectif, soit car le dispositif expérimental ne le permet pas ;

- les espèces condensables ne sont récupérées que dans une étude, par lavage (Nachenius et al., 2015b), et n’ont, à notre connaissance, jamais été caractérisées à cette échelle. Sortie biomasse Alimentation biomasse Motovibrateurs Amortisseurs