kinetics and heat flux experiments and modelling of wood torrefaction : from microscale to pilot unit.
Approche multi échelle de l'emballement des réactions exothermiques de torréfaction de la biomasse lignocellulosique : de la cinétique chimique au lit de particules
Résumé
Lignocellulosic biomass torrefaction is an important step for diesel production through the BTL (Biomass To Liquid) chain. Torrefaction is a non-oxidative thermal treatment in the temperature range from 200 to 300°C. The aim of this process is to modify biomass structure in order to facilitate pneumatic transportation after grinding. However, some exothermic reactions are triggered in this temperature range which can lead to a lack of temperature control inside the reactor with detrimental effects on the product quality or even destructive effects on the facility. The purpose of this study is to contribute to the development of a multi-scale model for simulating these thermal runaway phenomena. Starting with the smallest scale, anhydrous weight loss combined with heat flux measurement from powders have been performed in a TGA-DSC. A data base was developed from three types of woody biomass, namely locust, spruce and an eucalyptus and from the main lignocellulsic components which are cellulose, xylan, glucomannan and lignin. A thermo-kinetic model able to reproduce the measured mass loss and heat flux during torrefaction has been developed by using the Distributed Activation Energy Method. Kinetic parameters and reaction enthalpies have been identified by inverse method taking into account the comprehensive set of data over several isothermal conditions with residence times of up to ten hours. Proceeding to larger scales, temperature measurements under torrefaction conditions have been performed separately in individual macro-particles and in a large scale packed bed of wood chips in order to test models at these scales. Thermal excursions were observed both within the particles and the bed due to the exothermic reactions. In the fixed bed an actual amplifying thermal wave was observed to propagate along the axial direction have been performed. A macroscopic heat and mass transfer model coupled with the kinetic model developed in this work allowed to simulate the temperature field at the macro-particle scale. Further model developmental work is needed to simulate the bed scale, Experimental observations and modelling carried out in this work represent an important improvement for the prediction of the heat released by torrefaction reactions in order to make this thermal pre-treatment safer and economically valuable.
La torréfaction est une étape nécessaire pour la production de gazoles à partir de biomasse lignocellulosique par voie thermochimique (chaîne Biomass To Liquid). Il s'agit d'un traitement thermique dans le domaine de température compris entre 200 et 300°C en milieu non oxydant ; le but de cette étape est de modifier la structure de la biomasse afin d'en faciliter le transport pneumatique après broyage. Cependant, des réactions exothermiques ont été observées et peuvent mener à un mauvais contrôle de la température au sein du réacteur et nuire à la qualité des produits, voire endommager l'installation. L'objectif de cette thèse est de quantifier la chaleur émise par les réactions exothermiques de torréfaction de la biomasse lignocellulosique, et d'en étudier les impactes lors du changement d'échelle, où les phénomènes de transfert de masse et de chaleur ne sont plus négligeables. Durant nos travaux, des mesures de perte de masse et de flux de chaleur ont été réalisées à l'échelle de la poudre (microparticule) sur trois types d'essence de bois (robinier, épicéa et eucalyptus) ainsi que sur les principaux constituants de la matière lignocellulosique (cellulose, xylane, glucomannane et lignine). Un modèle cinétique capable de reproduire la perte de masse ainsi que le flux de chaleur généré par les réactions exothermiques, a été développé. Il utilise le concept de distribution d'énergie d'activation. Tous les paramètres du modèle ont été identifiés par méthode inverse sur un ensemble de tests isothermes d'une durée de 10 heures. Cela permet de proposer des paramètres cinétiques robustes et des valeurs fiables d'énergie d'activation. Par la suite, des mesures de température pendant des essais de torréfaction sur des planches de bois (méso-échelle) et sur un lit fixe de particules (échelle macroscopique) ont permis de mesurer la propagation d'une onde thermique générée par les réactions exothermiques. Une modélisation macroscopique qui intègre le modèle cinétique développé permet de propager l'effet des réactions exothermiques à l'échelle de la macro particule. L'analyse de l'ensemble des résultats permet de mettre en exergue l'importance de l'échelle lit sur l'emballement thermique observé expérimentalement. L'ensemble du travail, mené à différentes échelles spatiales et complété par une analyse permettant de relier ces échelles entre-elles, constitue une avancée significative vers la prédiction de l'exothermicité de la torréfaction afin d'assurer la sécurité et la faisabilité à l'échelle industrielle.
Domaines
Autre| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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