Modélisation de la torréfaction en four tournant validation des sous-modèles

Les phénomènes intervenant lors d’un traitement thermique de la biomasse ont été décrits au Chapitre 1. La modélisation du procédé de torréfaction en four tournant nécessite donc la prise en compte de l’ensemble de ces phénomènes et leur intégration dans un modèle global. Il est ici proposé de modéliser séparément le transport de la charge, les transferts thermiques, le séchage de la biomasse et les cinétiques de torréfaction. Ces quatre sousmodèles seront établis et validés expérimentalement avant d’être implémentés dans un modèle commun. Le modèle final, à une dimension suivant l’axe du four, a pour objectif de prédire l’évolution de la température des plaquettes de bois et leur perte de masse lors de la torréfaction en régime stationnaire. I. Modélisation du transport de la charge Comme expliqué précédemment (Chapitre 1, §III.2.3), les principales fonctions d’un modèle de transport sont de prédire le temps de séjour du matériau dans le cylindre et les surfaces d’échange entre les différentes phases.

Expériences de Distribution des Temps de Séjour

 La majorité des modèles d’écoulement en four tournant sont basés sur l’hypothèse d’un écoulement piston dans le cylindre. Cette hypothèse doit être vérifiée en réalisant des expériences de distribution des temps de séjour. Ces expériences permettront également d’évaluer l’influence des paramètres opératoires sur le temps de séjour moyen et le taux de remplissage. 

Protocole expérimental Mesures de DTS

 Les expériences de DTS sont réalisées à température ambiante car cela facilite la sélection du traceur qui ne doit pas résister aux conditions de la torréfaction. De plus, la conservation d’une atmosphère inerte n’est pas compatible avec un échantillonnage fréquent. Pour les expériences de DTS, l’extrémité du four est donc ouverte, ce qui permet un contrôle visuel du comportement du lit ; une balance est placée sous le caisson de sortie pour mesurer le débit en continu. Le type de traceur doit ensuite être sélectionné. L’étude d’un solide divisé comme les plaquettes de bois présente l’avantage de permettre l’utilisation de traceurs colorés peu Chapitre 3 : Modélisation de la torréfaction en four tournant : validation des sous-modèles 102 coûteux et faciles à produire. Dans cette étude, deux traceurs différents présentés Figure 41a sont utilisés. L’un est teinté avec du rouge Congo et l’autre avec de l’encre bleue. Dans les deux cas, les plaquettes sont tout d’abord séchées à l’étuve, puis immergées dans un mélange d’eau et de colorant pendant deux heures. Elles sont ensuite séparées du liquide excédentaire puis séchées à l’étuve. Enfin, leur stockage pendant quelques semaines dans la même enceinte que la biomasse brute permet de les ramener à la même humidité d’équilibre. Étant donné les faibles quantités de colorants utilisées (quelques grammes), il est supposé que ceux-ci ne modifient pas la composition ni l’état de surface des plaquettes de bois. Les paramètres opératoires du cylindre (inclinaison, vitesse de rotation et débit d’alimentation) sont réglés et l’alimentation en plaquettes de bois débute. Il a été vérifié visuellement que le comportement du lit de plaquettes est du type rolling, ce qui est indispensable pour l’obtention d’un mélange efficace. Une fois le régime permanent atteint, 40 g de chaque traceur sont injectés successivement à la base de la trémie au temps t=0. Ceci correspond à des injections de type impulsion choisies afin de limiter les quantités de traceurs utilisées.En sortie de cylindre, les plaquettes de bois sont échantillonnées toutes les 30 s pendant 70 min (toute la masse est conservée). Un tri manuel est ensuite réalisé pour séparer les traceurs du bois brut. La pesée des traceurs et des particules non colorées permet alors le calcul de la concentration en traceur de chaque échantillon. Pour l’ensemble des expériences, la masse de traceur récupérée atteint 99,8 ± 0,4 % de la masse initialement injectée. Mesure du profil de chargement du cylindre Une fois les traceurs récupérés, la rotation du cylindre et l’alimentation en biomasse sont stoppées simultanément et des photographies de l’intérieur du cylindre sont prises. La mise au point est réalisée pour avoir des images nettes de l’ensemble du cylindre. Un exemple est donné Figure 42

Paramètres opératoires étudiés

Les paramètres opératoires, dont l’influence sur l’écoulement des plaquettes de bois est étudiée, sont l’inclinaison, la vitesse de rotation et le débit d’alimentation. Le débit de gaz est négligé car il est très faible (l’azote n’est pas utilisé comme fluide caloporteur) et le cylindre n’est pas équipé de releveurs. Les gammes de variation choisies pour ces paramètres sont 1 à 2 ° pour l’inclinaison, 2 à 4 tr/min pour la vitesse de rotation et 4 à 8 kg/h pour le débit d’alimentation. Le domaine de fonctionnement de l’installation pilote ne sera donc pas exploré intégralement mais il a été choisi de rester dans les gammes couramment observées à l’échelle industrielle (1 à 3 ° et 1 à 5 tr/min d’après [128]). Afin d’optimiser les expériences, un plan d’expériences factoriel complet a été défini. Les expériences sont représentées par les sommets du cube de la Figure 43.Cependant, les deux essais à fort débit (8 kg/h) et faible vitesse de rotation (2 tr/min) se sont avérés irréalisables car ils mènent à un taux de remplissage supérieur à la capacité du four tournant pilote. Ces deux points ont donc été remplacés par un point au centre du cube et un autre au centre de la face supérieure du cube.Même si les lois établies pour l’exploitation des plans d’expériences ne seront pas utilisées dans la suite de ces travaux, ce schéma expérimental a pour objectif de fournir un maximum d’informations avec un nombre restreint d’expériences.