Cours M2 Thermochimie 2011

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    09-Feb-2016

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  • Les filires Biomasse Energie

    Franois-Xavier CollardIngnieur de recherche

    Master 2Biomasse Energie : Partie 4

    Les voies thermochimiques

  • Les voies thermochimiquesPlan

    I. Introduction- Thermochimie- Caractrisation de la biomasse

    2

    - Caractrisation de la biomasseII. La combustion III. La pyrolyse

    - La pyrolyse lente- La pyrolyse flash

    IV. La gazification

  • BIOMASSE

    nergie : la biomasse

    Procds / filires

    nergie

    3

  • Valorisation nergtique de la biomasse

    Fermentation methanique

    Extraction dhuile Pyrolyse

    Fermentation alcoolique

    Combustion directe Pyrolyse

    Biochimique ThermochimiqueMATIERE VEGETALE

    Methane

    CH4

    Huiles vgtales

    Charbon & Huiles

    Ethanol

    C2H5OHGazification

    Energie

    CO2 + H2O4

  • Introduction

    ThermochimiquechimiqueThermo

    = chaleur

    Conversion chimique sous leffet de la chaleurLnergie vient de la rupture de liaisons chimiques

    = chaleur

    5

  • Introduction

    Calculer la chaleur de combustion dune mole dthanol liquide sachant quil se forme de leau liquide

    Donnes :

    Thermochimie

    Donnes :Energie de liaison (kJ/mol) : C-H : 410 ; O=O : 494 ; C=O : 795; O-H : 460 ; C-C : 348 ; C-O : 356Chaleur molaire latente de vaporisation (kJ/mol) : eau : 41 ; thanol : 42,6

  • Caractrisation de la biomasse

    Caractrisation de la biomasse / potentiel nergtiqueFilire thermochimique

    Les proprits de la biomasse dterminent le choix du processus de conversion et toutes les difficults oprationnelles qui peuvent apparatre. Le choix de la source de biomasse est galement dpendant de la forme de lnergie demande

    1 - Taux dhumidit2 - Taux de cendresAnalyse 2 - Taux de cendres3 - Taux de matires volatiles4 - Taux de carbone fixe

    5 - Teneur en constituants(cellulose, hmicellulose, lignine)6 - Pouvoir calorifique

    Analyseimmdiate

    7

  • Lchantillon est sch lair une temprature de 105 2 C.Le taux dhumidit est calcul partir de la perte de masse de lchantillon.

    Mthode pour la dtermination du taux dhumidit

    1 Le taux dhumidit

    Caractrisation de la biomasse

    DfinitionLhumidit (H2O) est leau contenue dans le biocombustible solide qui est limine par chauffage 105C.

    Le taux dhumidit est calcul partir de la perte de masse de lchantillon.

    100OH sec%2

    =

    humide

    humide

    MMM

    8

    Norme : XP CEN/TS 14774-2

  • Inconvnients : La conversion thermique exige une biomasse faible taux dhumidit (< 50%)

    1 Le taux dhumiditEn fonction de leur nature et de la saison les biomasses peuvent avoir des taux dhumidits trs variable .

    Aprs rcolte un taux d'humidit jusqu' 95%. Bien sche ; taux d'humidit < 2%Arbres sur pieds : 40 50 % dhumidit sur masse brute

    .

    Caractrisation de la biomasse

    La conversion thermique exige une biomasse faible taux dhumidit (< 50%) > 60 % la combustibilit de la biomasse est quasi nulle ( pas dauto combustion) => schage Pour des humidits trop leves, stockage impossible (nuisance et perte de matire), Elle affecte ngativement le rendement nergtique Elle augmente le cot de rcolte et de transport.

    9

    .

  • DfinitionLes cendres (ou matires minrales MM) sont les rsidus provenant du biocombustible aprs avoir t brl lair.

    2 Taux de cendres

    Caractrisation de la biomasse

    Mthode pour la dtermination du taux de cendresL'chantillon est chauff l'air un premier palier de 250C puis un second palier de 550C. Il est maintenu cette temprature jusqu' obtention d'une masse constante.masse constante.Le pourcentage des cendres est calcul partir de la masse du rsidu aprs incinration.

    100% =humide

    rsidu

    MMMM

    Le taux de cendres influence directement le contenu nergtique disponible de la biomasse.

    Norme AFNOR XP CEN/TS 1477510

  • 3 Le taux de matires volatilesDfinitionLa matire volatile (MV) dun combustible solide, est la partie du solide qui schappe sous forme de gaz (humidit dduite) lorsque lon chauffe le combustible.

    Lchantillon de bois est chauff sous atmosphre inerte une temprature de

    Mthode pour la dtermination du taux de matires volatiles

    Caractrisation de la biomasse

    Lchantillon de bois est chauff sous atmosphre inerte une temprature de 900 C.Le pourcentage de matires volatiles est calcul partir de la perte de masse de lchantillon analys aprs dduction de la perte de masse due lhumidit.

    Norme : XP CEN/TS 14774-1

    100900%

    =

    humide

    eauChumide

    MMMMMV

    11

  • 4 - Le taux de carbone fixeDfinitionLe carbone fixe (CF) est le carbone restant aprs limination de leau, des matires volatiles et des cendres du biocombustible solide sec.

    %Carbone Fixe = 100 - %H2O - %Matires Volatiles - % CendresOu %CF= 100 - %H2O - %MV - % MM

    Cendres = matires minrales (MM)

    Caractrisation de la biomasse

    Le carbone fixe contientune forte teneur en carbone

    fort potentiel nergtique

    12

    Temprature C H O

    105 C 48,0 6,2 45,6

    700 C 91,4 2,1 6,5

    800 C 92,8 1,4 5,8

    900 C 93,9 1,1 5,0

    Analyse lmentaire de bois pyrolys diffrentes tempratures [1]

    [1] A. Dufour, P. Girods, E. Masson, S. Normand, Y. Rogaume and A. Zoulalian, Journal of Chromatography A, 1164, (2007) 240.

  • Cellulose : polymre du glucoseHmicellulose : polymre dhexoses et pentoses

    5. Teneur en constituants

    Caractrisation de la biomasse

    Constituants des parois cellulaires :

    pentosesLignine : polymre dunits phnylpropanes

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    Motif aromatiquePlus stablePlus de carbone fixe

  • Biomasse Lignine Cellulose Hmicellulose

    Bois tendres 27 - 30 35 - 40 25 - 30

    Caractrisation de la biomasse

    5. Teneur en constituants

    Teneur en constituants de diffrents types de biomasses [2]

    Bois durs 20 - 25 45 - 50 20 - 25

    Paille de bl 15 - 20 33 - 40 20 - 25

    Plante herbace 5 - 20 30 - 50 10 - 40

    [2] P. McKendry, Bioresource Technology, 83, (2002) 47.

  • 6. Le pouvoir calorifique

    Le pouvoir calorifique suprieur (PCS) est lnergie libre lorsque lon brle la biomasse dans lair y compris lnergie due lvaporation de leau (chaleur latente)Cela reprsente donc la quantit maximum dnergie potentiellement rcuprable dune source de biomasse.

    Caractrisation de la biomasse

    dune source de biomasse.En pratique, lnergie due lvaporation de leau peut difficilement tre rcupre, par consquent, cest le pouvoir calorifique infrieur (PCI) qui devient la valeur pertinente utiliser lorsque lon parle de pouvoir calorifique.

    PCS = PCI + chaleur latente dvaporation de leau

    15

  • 6. Le pouvoir calorifique

    On peut lestimer daprs la composition chimique du combustible (C, H, O), selon la formule suivante :

    PCI = 34,03 C + 121,64 H 12,54 O [MJ/kg]

    Caractrisation de la biomasse

    Biomasse : moins de C et plus de O que combustibles fossilesLe PCI est aussi influenc par lhumidit et la teneur en cendres

    La valeur du PCI se dtermine dans une bombe calorimtrique qui mesure la quantit de chaleur libre lors de la combustion dune quantit prcise de matire.

    Mthode pour la dtermination du pouvoir calorifique

    16

  • Mthode pour la dtermination du pouvoir calorifiqueDans une bombe calorimtrique une masse connue de biomasse est brle sous haute pression doxygne.

    Caractrisation de la biomasse

    Norme: XP CEN/TS 14918:2005

    17

  • Caractrisation de la biomasse

    Analyse immdiate de quelques biomasses [2]

    Matire premire C H O H2Omatires

    volatiles

    carbone

    fixecendres

    PCS

    (MJ/kg)

    bois 51,6 6,3 41,5 7,3 76,8 18,1 1,2 21,1

    paille crale 45,2 5,7 39,1 6,0 79,0 10,7 4,3 17,3

    Analyse lmentaire Analyse immdiate

    TP au LBEB

    Biomasse : pouvoir calorifique faible densification nergtique

    18

    paille crale 45,2 5,7 39,1 6,0 79,0 10,7 4,3 17,3

    miscanthus 48,1 5,4 42,2 11,5 66,8 15,9 2,8 18,5

    charbon minral 73,1 5,5 8,7 10,0 35,0 57,0 8,0 26,2

    [2] P. McKendry, Bioresource Technology, 83, (2002) 47.

  • Biomasse / combustibles fossiles : Faible teneur en carbone et forte teneur en oxygnePCI plus faible Taux dhumidit levProblme / stockage et transportDfavorable / PCI

    Caractrisation de la biomasse

    Intrt des conversions thermochimiques

    Dfavorable / PCI Objectif des conversions thermochimiques :

    Fournir nergie ou vecteurs nergtiques facilement exploitables (solide, liquide, gaz) Densification nergtique Optimisation des rendements

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  • Fermentation methanique

    Extraction d huile Pyrolyse

    Fermentation alcoolique

    Combustion directe Pyrolyse

    Biochimique ThermochimiqueMATIERE VEGETALE

    Introduction

    Methane

    CH4

    Huiles vgtales

    Charbon & Huiles

    Ethanol

    C2H5OHGazification

    Energie

    CO2 + H2O20

  • Les voies thermochimiquesPlan

    I. Introduction- Thermochimie- Caractrisation de la biomasse

    21

    - Caractrisation de la biomasseII. La combustionIII. La pyrolyse

    - La pyrolyse lente- La pyrolyse flash

    IV. La gazification

  • Lorsquon prpare un feu de bois, on peut observer que les

    chantillons de bois passent par

    Combustion

    chantillons de bois passent par diffrentes tapes de

    dgradation/conversions.

    22

  • Temprature

    Molcules organiques= Matires volatiles

    Modle du feu de boisLa combustion

    Vapeur deau

    SchageRaction homogne

    O2 Raction htrogneO2