la température du carbonisateur à lit fixe et à flux homogène

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Matière à carboniser

Dans ce chapitre, nous avons pris comme biomasse le vétiver. Le choix de vétiver se justifie parce qu’il s’adapte bien partout. Il peut croître dans n’importe quelle région à Madagascar. De plus ses feuilles sont considérées comme des résidus non exploitables.

Description

Les vétivers sont des grandes touffes vertes de 1 à 3 mètres de hauteur et fournies de feuilles étroites et fortes, droites, unies [12]. Ses racines très dense et ramifiée se développent verticalement et qui peuvent atteindre 6 mètres de profondeur. C’est en Inde (le nom vient du « Vettivern ») qui est l’origine de cette plante prestigieuse. Il est de famille des Graminées dont une douzaine d’espèces connues. Couramment représenté dans les zones tropicales du monde : Inde, Réunion, Caraïbes, Afrique, Amérique du Sud, Méditerranée orientale, Sud de l’Europe. Le figure 4 montre ses belles racines et feuilles.
D’une part, le vétiver s’adapte non seulement à toutes les qualités de sols profonds et sablonneux, mais aussi à forte teneur acide ou alcaline (de pH 3 à 10.5) et prospère sans peine jusqu’à 2000 mètres d’altitude. D’autre part, il pousse dans l’eau ou en zones sèches, de -10°C à 48°C. Néanmoins, il a ses faiblesses car il ne convient pas aux sols argileux et se développe faiblement à l’ombre.
Le vétiver est une plante facile, coriace et durable, il repousse après le feu et résiste habituellement à la majorité des maladies des plantes. En plus, la force ductile de ses racines est de 2 fois supérieure à celles du peuplier. C’est une plante écologique, conserve l’humidité du sol et le protège contre l’érosion.

Production et disponibilité

Culture

Le mode de culture du vétiver est le suivant :
➢ Planter les éclats pendant le début de la saison humide ou les arroser 2-3 mois pendant les autres saisons (le sol doit être bien imbibé d’eau).
➢ Marquer les points de plantation et repiquer les comme le riz.
➢ Bien enfoncer les racines vers le bas.
➢ La distance entre les plants doit être environ de 10 cm. Planter seulement une ligne de vétiver (en cas de mort ou de trouées les remplacer immédiatement).
➢ Arroser abondamment les plants immédiatement après leur mise en terre.

Multiplication

Le vétiver est facile à planter en ligne, répond bien à la fertilisation et à l’irrigation avec la production des souches pouvant être éclatées par la suite.

Situation mondiale et locale du Vétiver

Le vétiver est utilisé dans près de 120 pays dans le monde dont les principaux producteurs : Java, Haïti, la Réunion et Madagascar. De plus, il existe un réseau international depuis 1989 où les pays d’Afrique, d’Asie, d’Amérique latine et des ONG coordonnent leurs recherches et développement sur le vétiver, soutenus par la banque mondiale [13].

Utilisation

Les feuilles et les racines de vétiver fournissent des revenus car elles peuvent être utilisées pour produire des combustibles de cuisson ou des carburants industriels, des toits de chaume et des produits artisanaux, d’huiles essentielles à partir de la racine.
Il a de multiples usages et s’utilise de la racine à la feuille de la manière suivante :
– Les racines : en parfumerie, en plante médicinale et contre les insectes notamment les mites.
– Les feuilles : plusieurs cultivateurs de vétiver ont confirmé que les plantes de vétiver produisent plus de feuilles que de racines au cours de la saison de croissance [14]. En effet, la productivité moyenne en feuille du vétiver est estimée entre 15 et 30 tonnes par hectare. A cause de cette abondance on l’utilise pour les toitures de chaume, en isolant, en aliment pour les animaux, dans l’artisanat (capeline, paniers, sacs…).
Dans notre cas, nous utilisons le vétiver comme source d’énergie non seulement ses feuilles mais aussi ses racines. Etant donné que la machine fabriquée peut utiliser non seulement pour la carbonisation des feuilles et des racines de vétiver mais aussi avec divers résidus tels que rafles de mais, balles de riz, brindille de bois, feuilles et déchets textiles des industries en zone franche…
Figure 5 : Processus de fabrication du charbon de vétiver
– Récolte : elle consiste à la récolte du vétiver.
– Hachage : cette opération consiste à couper environ 3 cm le vétiver pour que la granulométrie soit homogène.
– Carbonisation : c’est de transformer les biomasses (vétiver) en charbon, gaz et goudrons, sous l’effet de la chaleur à l’abris de l’air.

Etude théorique du système

Système de régulation

Notre carbonisateur nécessite le contrôle et la maîtrise de certains paramètres tels que la température et la vitesse de rotation du système de malaxage. C’est cela qu’intervient le système de régulation. En effet, la connaissance développée ci-après permet de maîtriser le processus de carbonisation. C’est pourquoi on a choisi comme intitulé de l’étude : détermination des paramètres clé de carbonisation. Il s’agit en fait de réguler deux paramètres : la température et la vitesse d’homogénéisation de la charge à carboniser.

Définition

La régulation est la technique utilisée pour maintenir automatiquement une grandeur physique à la valeur désirée quelles que soient les perturbations qui peuvent subvenir.

Type de boucle de régulation

On distingue deux types de boucles de régulation : la boucle ouverte et la boucle fermée.

Boucle ouverte

Une boucle est dite ouverte si la valeur mesurée est indépendante à la valeur de la consigne. La figure 6 représente le schéma fonctionnel du système en boucle ouverte.
Où w : consigne (grandeur réglante) et x : grandeur mesurée
Figure 6 : Schéma fonctionnel du système en boucle ouvert
Cette boucle ouverte présente deux inconvénients majeurs ; à savoir :
– On ne sait pas à quelle valeur « x » va se stabiliser et en combien de temps ;
– « x » va varier en fonction des perturbations extérieures.

Boucle fermée

Une boucle est dite fermée si la valeur mesurée est surveillée et comparée à une valeur de la consigne. Dépendant du résultat de cette comparaison, l’entrée variable du système est influencée pour ajuster la valeur mesurée à la valeur de la consigne quelles que soient les perturbations. La figure 7 illustre le schéma fonctionnel du système en boucle fermée.
Contrairement à la boucle ouverte, nous n’avons plus les inconvénients suscités en refermant la boucle.

Constitution des boucles de régulation

Les principaux constituants des boucles de régulation sont : un capteur, une consigne (fixe ou variable dans le temps), un comparateur délivrant un signal d’écart, une loi de commande qui calcule le signal à envoyer sur l’actionneur, un actionneur, le système physique à commander et soumis à des perturbations.

Qualités d’une bonne régulation

Les qualités exigées pour une bonne régulation sont définies par les critères suivants [15]:
➢ Stabilité : un système est stable, lorsque celui-ci tend à revenir à son état d’équilibre lorsqu’on lui applique une perturbation de courte durée, et ne doit pas osciller autour du point de consigne ;
➢ Précision : en régime établi, la grandeur régulée doit être maintenue en permanence au plus près de la consigne ;
➢ Rapidité : elle quantifie le temps de réponse du système. Elle correspond au temps de réaction de la sortie par rapport à la consigne.

Description du système

Les techniques les plus répandues à Madagascar est encore basées sur le modèle le plus ancien, qui se caractérise par l’utilisation de la terre comme écran isolant pour éviter l’entrée de l’oxygène et des pertes de chaleur excessives [17].
Notre étude s’intéresse à la carbonisation par chauffage externe. En effet, notre système est composé de : moteur électrique, régulateur de température, variateur de vitesse, système d’étanchéité, résistances électriques, système d’enfournement et de défournement, four de carbonisation. Le tableau 1 illustre les composants du système ainsi que le principe de fonctionnement de chacun de ses composants.

Principe de fonctionnement du système

La mise en marche du système consiste en son chauffage, au moyen d’une résistance électrique commandé par un régulateur de température. Une sonde soudée à l’extérieure de la cuve de carbonisation va ensuite transmettre au régulateur la température à l’intérieure de la chambre ; si la température voulue est atteinte, le régulateur coupe l’alimentation. A partir de 200°C, un variateur de vitesse doit commander l’actionnaire pour alimenter le malaxeur pour éviter qu’une partie seulement soit bien carbonisée.

Choix de système d’étanchéité

Acier inoxydable

L’acier est nécessaire à la construction du four de carbonisation pour qu’elle se fasse dans une température très élevée (400 à 600 degrés Celsius), pour cela il nous faut de choisir l’acier inoxydable.

Définition

L’acier inoxydable désigne toutes les sortes d’acier qui ont été fondues selon un rocessus particulier, qui disposent d’un degré de pureté élevé et qui réagissent régulièrement aux traitements thermiques prévus [19].

Type des aciers

Il existe quatre grandes familles d’aciers inoxydables, qui sont : aciers inoxydables ferritiques, martensitiques, austénitiques et austéno-ferritiques (aciers duplex) [20]. Le détail des caractéristiques et les domaines d’utilisation de chaque types d’acier est présenté dans l’annexe 1.
c. Quelles sont les caractéristiques guidant le choix d’un acier inoxydable ?
La caractéristique la plus commune recherchée lors de la sélection d’un acier inoxydable est sa tenue à la corrosion humide ou sèche. A part de celle-ci, il conviendrait prendre en compte les critères suivants [21] :
➢ Ses caractéristiques mécaniques dictées par les conditions d’emploi (davantage d’aptitude à la déformation, davantage d’aptitude au soudage ou à l’usinage…).
➢ Le facteur sécurité d’usage est aussi primordial ;
➢ Les conditions en service (biens d’investissement nécessitant des décennies d’usage sans risques de dégradations, biens d’équipement avec maintenance très réduite, biens de consommation considérant une durée de vie limitée… et sans conséquences majeures en cas de dégradation…) ;
➢ L’état de surface ;
➢ L’épaisseur finale du produit et son aptitude au soudage.
A cause de tout ce qu’on a évoqué auparavant, pour construire notre cuve de carbonisation, on a choisi l’acier inoxydable austénitiques (aciers au chrome-nickel)18/8 c’est-à-dire la teneur en nickel est supérieure à 8 % alors que celui du chrome est de 18%, de 2 mm d’épaisseur, de 400 mm de diamètre et de 350 mm de hauteur.

Isolation thermique

Définition

Le garnissage d’un four isole thermiquement la chambre de chauffe de l’extérieur. Le but de l’installation dimensionnée est de minimiser les pertes de chaleur qui se produisent au niveau du four pour augmenter le rendement.

Types et caractéristiques des matériaux les plus utilisés

Il existe de multitude des matériaux isolants. Ils sont classés en trois grandes familles,
à savoir [22] :
– Les isolants d’origine végétale ;
– Les isolants d’origine minérale ;
– Les isolants d’origine pétrochimie.
Nous nous intéressons aux matériaux de garnissage les plus couramment utilisés pour la construction des fours. D’où le tableau dans l’annexe 2, il évalue les grandes familles de ces matériaux de garnissage les plus utilisés ainsi que quelques caractéristiques essentielles.
c. Critères de choix des isolants
Les matériaux sont sélectionnés en fonction des critères suivants [23] :
➢ Propriétés thermiques : elle représente sa capacité à accumuler et restituer de la chaleur (inertie thermique).
➢ Propriétés techniques : elle représente sa capacité à supporter la température de traitement (réfractaires), la perméabilité à la vapeur d’eau, le comportement à l’humidité, la stabilité dans le temps (leur résistance mécanique).
➢ Propriétés environnementales : impact énergétique de la production, du transport, risques pour la santé, maintenance, traitement en fin de vie (recyclage).
Ainsi, nous avons choisi comme isolant thermique, la laine de roche, étant donné qu’elle possède un pouvoir isolant important. En plus, elle résiste au feu et ne contribue pas à son extension. Elle conserve toutes ses caractéristiques mécaniques (durable, inerte et stable) dans le temps. En outre, la laine de roche n’est pas propice au développement des microorganismes.
Précédemment nous avons vu le choix des équipements du côté mécanique ; maintenant nous allons aborder la partie électrique.

Choix des équipements électriques

Pour réaliser notre carbonisateur, il est nécessaire de faire le choix de chaque équipement électrique nécessaire à la réalisation du carbonisateur à lit fixe et a flux homogène.

Choix de système de régulation de la température du four

Le contrôle de température est indispensable pour conduire notre carbonisateur avec précision. Le dispositif de chauffe du four de carbonisation se compose de résistances reliées à une alimentation électrique. Le rôle du régulateur est de commander cette alimentation électrique par action sur un contacteur de puissance pour permettre au four de suivre automatiquement une allure de chauffe selon un programme établi. Il permettra le passage du courant dans les résistances pour suivre très précisément le processus de carbonisation. Pour cela ce régulateur doit surveiller la température du four par l’intermédiaire d’un capteur de température.
A cet effet, le système de régulation de la température doit comprendre les composantes suivantes : le four et ses résistances, un contacteur de puissance, une alimentation de puissance électrique (secteur 220V), un régulateur de température, un capteur de température (thermocouple). La représentation schématique du système de régulation de la température est illustrée à la figure 9.

Choix des résistances électriques

Les résistances chauffantes constituent l’élément essentiel du four de carbonisation.
➢ Résistance et résistivité
La résistance dépend des dimensions du conducteur et de la nature du matériau utilisé. La valeur de la résistance R (Ω) d’un corps de chauffe de longueur (m), de section uniforme S (m2) et de résistivité ρ (Ω • m) est donnée par la relation [24] :
La résistivité ρ doit être élevée afin de limiter l’intensité du courant et de réduire les dimensions du corps de chauffe. Le coefficient de température α doit être faible, positif et sensiblement constant pour toutes les températures d’utilisation, afin d’atténuer les variations de courant et de faciliter le réglage de la puissance injectée.
➢ Loi de Joule
Un phénomène important dans une résistance est l’effet Joule. Une résistance parcourue par un courant reçoit un travail électrique et le transforme en transfert thermique. Ainsi, la puissance électrique P(W) dissipée dans l’élément chauffant de résistance R(Ω) transformée en chaleur est exprimée par la loi de Joule : = = 2 (8)
Avec U(V) : les valeurs efficaces de la tension aux bornes de la résistance ;
I(A) : courant électrique qui la traverse.
➢ Familles de résistances électriques
On distingue quatre grandes familles de résistances électriques qui sont utilisées dans les fours industriels [22] :
– Les résistances métalliques à base d’alliages Ni-Cr et Fe-Cr-Al.
– Les métaux spéciaux. Ils sont utilisés à très hautes températures sous vide, hydrogène et azote.
– Les résistances non métalliques.
– Résistances blindées : sa conception est sensiblement différente des précédentes. Ces résistances ne rayonnent plus librement car elle est noyée dans un isolant, l’ensemble étant contenu dans une gaine métallique étanche appelée blindage. La présence de l’isolant (généralement de la magnésie) entraîne une forte différence de température entre la résistance et la gaine, ce qui limite la température d’emploi.
➢ Critères de choix de la résistance électrique
Leur choix est établi en tenant compte sans confusion des paramètres suivants [22] :
– La température limite supérieure d’emploi des résistances ;
– La température de fusion des éléments résistifs ;
– La température de la charge et la température de l’enceinte.
A cause de tout ce qu’on a évoqué auparavant, pour chauffer notre chambre de carbonisation, nous avons choisi, trois résistances blindées 1 = 2 = 3 = 750 ∗ 3 . Etant donné que ces éléments sont utilisés pour le chauffage de basse température (température limite de la gaine comprise entre 600 et 700 ˚C) et sont particulièrement indiqués dans le cas d’atmosphères agressives susceptibles de détériorer les résistances.

Choix du Contacteur1

Le contacteur est un appareil de connexion à commande électrique actionnée à distance et automatiquement ; et qui permet d’assurer le fonctionnement des moteurs, de résistances ou d’autres récepteurs grâce à des contacts (pôles) de puissance, [A].

Table des matières

INTRODUCTION
I. MATERIELS ET METHODES
I.1. Etat de l’art sur la Carbonisation
I.1.1. Définition de carbonisation
I.1.2. Type de carbonisation
I.1.3. Processus et procédés de carbonisation
I.2. Matière à carboniser
I.2.1. Description
I.2.2. Production et disponibilité
I.2.3. Situation mondiale et locale du Vétiver
I.2.4. Utilisation
I.3. Etude théorique du système
I.3.1. Système de régulation
I.3.2. Description du système
I.3.3. Principe de fonctionnement du système
I.3.4. Choix de système d’étanchéité
I.3.5. Choix des équipements électriques
II. RESULTATS
II.1. Construction du four
II.1.1. Partie mécanique
II.1.2. Montages des équipements électriques
II.2. Charbon de biomasses
II.2.2. Evolution de la température du carbonisateur à lit fixe et à flux homogène
II.2.3. Rendements massiques de charbon
III. DISCUSSIONS ET RECOMENDATIONS
III.1. Interprétation et discussion du résultat
III.2. Analyse SWOT
III.2.1. Avantages du four de carbonisation
III.2.2. Inconvénients du four carbonisation
III.2.3. Opportunités s’offrant au four de carbonisation
III.2.4. Menaces pour la technique de carbonisation améliorée
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
Annexe 1 : Caractéristiques et domaines d’utilisation de chaque types d’acier
Annexe 2 : Tableau inventaire des matériaux de garnissage les plus utilisés
Annexe 3 : Choix d’un moteur à induction
Annexe 4 : Rendement de production de charbon
Annexe 5 : Proposition de Norme : Détermination des taux d’humidité, de cendres, de matières volatiles et de carbone fixe de charbons à Madagascar.
Annexe 6 : Description et procédure du four CNRITà consigne 500°C