Modélisation des cinétiques de torréfaction

Le modèle de torréfaction en four tournant a pour objectif de prédire la perte de masse des plaquettes de bois au cours du traitement ce qui rend nécessaire l’évaluation des cinétiques de décomposition thermique du matériau. Pour cela, des expériences de torréfaction en thermo-balance ont été réalisées et les résultats obtenus ont permis l’identification des constantes cinétiques du modèle de Di-Blasi & Lanzetta présenté dans l’état de l’art.

Etude thermogravimétrique

L’objectif de l’étude thermogravimétrique est d’évaluer l’impact de la température et de la durée de torréfaction sur la perte de masse d’un échantillon.

Matériel et méthode utilisés

Le matériau utilisé pour cette étude est constitué de plaquettes séchées en étuve à 105 °C puis broyées finement à l’aide d’un cryobroyeur. La thermo-balance (ou ATG) utilisée est une TG-ATD 92 (Setaram®, Caluire, France). Une masse de 30,6 ± 1,0 mg (pesée à 0,01 mg près) de bois est introduite dans un creuset en platine. Ce creuset est placé dans l’ATG qui, une fois fermée, est balayée avec de l’azote (2 NL/h) pour maintenir une atmosphère inerte et évacuer les matières volatiles. Un profil de température, présenté Figure 68, est alors imposé à l’échantillon et l’évolution de la masse du creuset est mesurée.Après stabilisation à 30 °C, la température augmente jusqu’à 105 °C. Un palier de 30 min à cette température permet l’évaporation de l’humidité résiduelle de la biomasse. Une nouvelle rampe de température est alors appliquée jusqu’à la température de torréfaction 𝑇𝑡𝑜𝑟. A cette température, un nouveau palier est réalisé pendant 120 min. Pour finir, l’échantillon est porté à 600 °C avant d’être ramené à température ambiante. Quatre températures 𝑇𝑡𝑜𝑟 ont été étudiées afin de couvrir le domaine de la torréfaction. Les essais CIN1 et CIN2, réalisés dans des conditions identiques, seront utilisés pour évaluer la répétabilité. Les essais CIN3 et CIN4 permettront l’étude de l’influence de la masse initiale, et les essais CIN5 et CIN6 l’effet de la vitesse de chauffe. Pour chaque essai, un blanc (sans échantillon) a été réalisé pour prendre en compte l’influence de la montée en température de l’installation sur la masse mesurée. Les valeurs présentées sont les valeurs corrigées Le séchage semble achevé à la fin de la première montée en température (zone 1) ; l’évolution du rendement massique est très limitée lors du palier à 105 °C (zone 2). Le rendement massique à la fin de ce palier est appelé 𝜂𝑠é𝑐ℎ𝑎𝑔𝑒 et vaut en moyenne 91,3 ± 0,4 % sur l’ensemble des essais. La perte de masse due à la dégradation thermique commence ensuite dans la zone 3 mais ne devient significative que lorsque la température atteint environ 200 °C. La dégradation se poursuit dans la zone 4 et la perte de masse est encore significative à la fin des 120 min de palier. La zone 5 correspond à une phase de pyrolyse de la biomasse torréfiée ; la perte de masse a lieu principalement au cours de la montée en température. Pour l’étude des cinétiques de torréfaction, seules les zones 1 à 4 sont conservées. Le rendement massique sur sec 𝜂 (en %) est calculé suivant l’Équation 82.

Ajustement des paramètres du modèle de Di Blasi & Lanzetta

Différents comportements ont donc été observés lors des essais de torréfaction en thermobalance. L’objectif est désormais de mettre en équations les cinétiques de perte de masse afin de représenter au mieux les résultats expérimentaux. Lors de l’état de l’art, le modèle de Di Blasi & Lanzetta était apparu comme l’un des plus adaptés, de par sa simplicité et la qualité des résultats obtenus. Il a donc été décidé d’adapter ce modèle au bois de hêtre étudié ici. IV.2.1. Mise en équation et méthode d’ajustement Pour rappel, le modèle de Di Blasi et Lanzetta est présenté Figure 72.Lors de la première étape, la biomasse brute A est décomposée en solide intermédiaire B et en matières volatiles V1. Le solide B est transformé en solide C et en matières volatiles V2 lors de la deuxième étape. L’évolution de la masse des différents composés est régie par le système d’équations différentielles du premier ordre présenté Équation 83.Les constantes de vitesse 𝑘𝑉1, 𝑘𝐵, 𝑘𝑉2 et 𝑘𝐶 suivent une loi d’Arrhenius ce qui implique que 8 paramètres cinétiques (4 facteurs pré-exponentiels et 4 énergies d’activation) doivent être déterminés. Afin de mener à bien cette détermination, une démarche en deux temps, dont le concept est présenté Figure 73, a été choisie. Les paramètres sont dans un premier temps identifiés dans le domaine isotherme. En effet, lorsque la température ne varie pas, il est possible de résoudre le système présenté précédemment de manière analytique. Il prend alors la forme suivante :Les paramètres cinétiques sont déterminés pour minimiser l’écart entre le rendement massique expérimental et le rendement calculé sur l’ensemble des essais. Les résultats, présentés Tableau 20, sont alors utilisés comme valeurs d’initialisation pour une autre identification. Celle-ci prend en compte la totalité des essais, montées en température comprises. Deux types d’identification ont été testés lors de cette étape :L’un basé sur la minimisation de l’écart entre les rendements expérimentaux et calculés (courbes ATG),  L’autre basé sur la minimisation de l’écart entre les dérivées de perte de masse expérimentales et calculées (courbes DTG). Dans les deux cas, une stratégie de reparamétrisation a été appliquée. En effet, le rapport 𝐴0⁄𝐸𝑎 est souvent supérieur à 1000, ce qui pose des problèmes numériques lors de la détermination simultanée de ces deux paramètres. La reparamétrisation proposée par Reverte [191] permet de pallier cette difficulté. 𝐴𝑟 et 𝐸𝑟 sont respectivement le facteur préexponentiel et l’énergie d’activation reparamétrés suivant l’Équation 87.