Les propriétés d’usage de la biomasse torréfiée

Lors de l’étude expérimentale de la torréfaction en four tournant, des plaquettes torréfiées ont été produites dans différentes conditions opératoires. Les pertes de masse observées varient entre 1,7 et 25,0 %. Le modèle numérique développé précédemment permet la prévision de la perte de masse. Il parait désormais intéressant de pouvoir relier les principales caractéristiques du matériau obtenu à cette perte de masse. Cette partie propose d’analyser les différents bois torréfiés et de comparer leurs propriétés à celles du bois brut. Dans un premier temps, les solides seront caractérisés en termes de composition avant de s’attacher à l‘évaluation de l’hygroscopicité et de la broyabilité du bois torréfié. L’étude de la composition est importante car elle apporte des informations sur les processus de dégradation qui ont eu lieu lors du traitement et elle conditionne la densité énergétique du matériau. De plus, elle a un fort impact sur les rendements des procédés de valorisation susceptibles d’utiliser le bois torréfié (voir Chapitre 1, §II.6.4). Il en est de même pour la teneur en eau, ce qui justifie une étude détaillée du comportement de la biomasse vis-à-vis de l’humidité de l’air. Enfin, l’un des principaux intérêts de la torréfaction étant la fragilisation de la structure, l’étude de la broyabilité apparait être un point clé lors de l’évaluation du procédé. 

Aspect visuel 

Un changement de coloration des plaquettes apparaît dès les faibles pertes de masse (ici 1,7 %). La biomasse continue ensuite à brunir mais les changements sont peu importants pour les pertes de masse situées entre 7 et 15 %. Lorsque la perte de masse excède 15 %, les plaquettes ont une couleur noire, proche de celle du charbon. Dans la littérature, les principales raisons invoquées pour expliquer les modifications de la couleur au cours de la torréfaction sont :  Les pigments (clairs) de la biomasse brute sensibles thermiquement sont dégradés aux basses températures [102],  Les modifications de la lignine produisent des groupements chromophores qui confèrent à la biomasse une teinte foncée [109]. Il est cependant impossible de relier précisément une perte de masse à une couleur donnée. 

Composition

 Pour les analyses de composition, les différentes biomasses ont préalablement été broyées dans un broyeur à couteaux Pulverisette 15 (Fritsch, Idar-Oberstein, Allemagne) équipé d’une grille à ouvertures trapézoïdales de 0,5 mm. Les échantillons sont ensuite séchés en étuve à 105 °C avant analyse.

Composition élémentaire

Principe de détermination 

La composition élémentaire est déterminée par un analyseur NC 2100 (CE Instruments, Wigan, Angleterre). Une quantité de 2 à 4 mg d’échantillon est placée dans un creuset en étain. Le creuset est ensuite déposé dans un porte-échantillons d’où il tombe dans un four. Il subit alors une combustion en présence d’une quantité fixée d’oxygène de pureté élevée ; les oxydes produits sont réduits dans une colonne réductrice à base de cuivre. Le gaz, additionné d’hélium faisant office de gaz vecteur, est alors séché puis les différentes espèces sont séparées dans une colonne de chromatographie avant d’être quantifiées par un catharomètre. Connaissant la masse initiale de solide et la composition du gaz produit, l’analyseur calcule la teneur massique du solide en C, H, N et S. La teneur en oxygène est ensuite déduite de ces valeurs. Pour cette étude, 3 analyses ont été répétées par échantillon. 

Résultats

 Les valeurs moyennes de composition élémentaire sont présentées dans le Tableau 26. L’incertitude de mesure, calculée en considérant un intervalle de confiance de 95 %, est donnée entre parenthèses. La perte de masse sèche ML mesurée pendant les essais est également rappelée.Les teneurs en soufre étant inférieures au seuil de détection de l’analyseur pour l’ensemble des échantillons, les valeurs n’ont pas été reportées ici. La teneur en soufre sera négligée dans le calcul de la teneur en oxygène. La principale observation est qu’il y a concentration du carbone lorsque la perte de masse augmente. La teneur en carbone passe en effet de 47,2 % pour la biomasse brute à 54,0 % lorsque la perte de masse engendrée par la torréfaction atteint 25,0 %. Cette augmentation, réalisée au détriment des teneurs en hydrogène et en oxygène, est principalement la conséquence du départ des groupements hydroxyles, comme signalé dans l’état de l’art. La teneur en azote ne montre pas de tendance évidente. Il semble cependant qu’il y ait une légère concentration de cet élément même si les teneurs restent faibles (inférieures à 1 % pour la majorité des essais). Ceci est un point favorable pour l’utilisation de la biomasse torréfiée en combustion car les émissions d’oxydes d’azote seront limitées. Connaissant la masse molaire des éléments considérés, il est possible de calculer les ratios atomiques H/C et O/C pour toutes les biomasses. Les résultats sont représentés sur le diagramme de Van Krevelen Figure 95