Rhéologie des résidus agricoles pour un procédé multi-étapes de méthanisation en voie sèche

par Victor Ruys

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Albert Magnin et de Nadia El Kissi.

Le président du jury était Pierre Buffière.

Le jury était composé de Hassen Benbelkacem.

Les rapporteurs étaient Nicolas Roche, Renaud Escudié.


  • Résumé

    Rhéologie des résidus agricoles pour un procédé de méthanisation par voie sèche multi-étapes.Le procédé Arkométha® utilise à profit l’injection de biogaz pour mélanger les résidus agricoles (fumier, lisier, ensilage, etc…) lors d’un procédé de méthanisation en voie sèche dans lequel la matière est épaisse. La connaissance des propriétés rhéologiques de ces matériaux, rarement étudiés dans la littérature, notamment à l’échelle industrielle, est un élément indispensable pour maitriser et contrôler le processus de mélange. Cette thèse a pour objectif de développer la compréhension des évolutions physiques et rhéologiques de ces matériaux lors de la méthanisation. La revue bibliographique détaillée dans le deuxième chapitre, a montré la nécessité de disposer d’un rhéomètre capable de mesurer les propriétés rhéologiques de ces produits à l’échelle industrielle. Pour cela, un cahier de charge a été établi à partir des contraintes scientifiques et techniques imposées par ces matériaux considérés comme des suspensions concentrées en fibres de dimensions importantes. Sur cette base, un rhéomètre de grandes dimensions pour les substrats, nommé RGDS, a été construit, validé et mis en service sur site industriel. La technique de scissométrie était utilisée pour mesurer le seuil d’écoulement et des pales type mélangeur, étalonnées en utilisant l’analogie de Couette, permettent de mesurer les propriétés sous écoulement. Dans le troisième chapitre nous avons montré la limite de l’utilisation du taux de matière sèche (MS%) traditionnellement utilisé comme un paramètre contrôlant la rhéologie, comme par exemple, le seuil d’écoulement de ces matériaux. Nous avons montré qu’il est plus pertinent de maitriser la répartition de l’eau dans la suspension pour contrôler les propriétés rhéologiques en prenant en compte le caractère spongieux de la matière lignocellulosique. Nous avons montré comment déterminer les concentrations critiques qui séparent les régimes semi-concentré, concentré, milieu triphasique non saturé en liquide jusqu’à un milieu granulaire humide et leurs relations avec le seuil d’écoulement. Dans le quatrième chapitre nous avons étudié l’effet de l’évolution des paramètres opératoires du procédé de méthanisation comme la taille des fibres, la température et le taux de matière sèche sur les propriétés rhéologiques des matériaux. Plusieurs modèles et lois ont été proposés pour quantifier l’intérêt d’effectuer des modifications des paramètres opératoires sur la rhéologie de ces matériaux.

  • Titre traduit

    Rheology of agricultural residues for a multi-stage dry methanisation process.


  • Résumé

    The Arkometha® process uses biogas injections to mix agricultural residues (manure, slurry, silage, straw) in a dry anaerobic digestion process. Knowledge of the rheological properties of these materials, rarely studied in the literature, and especially not on an industrial scale, is an essential element to supervise and control the mixing process. This thesis aims to improve the understanding of the physical and rheological evolutions of these materials along the anaerobic digestion process. The literature showed the need for a rheometer able to measure the rheological properties of these products at the industrial scale. For this purpose, specifications were established based on the scientific and technical constraints imposed by these materials, which are considered as fiber concentrated suspensions. On this basis, a large rheometer for substrates, called RGDS for (Rheometer Grand Dimensions for the Substrate), was built, validated and commissioned on an industrial site. The van test technique was used to measure the yield stress and mixer blades, calibrated using the Couette analogy, were used to measure shear stresses. In the third chapter we have shown the utilization limits of the total solids (TS%), traditionally used as the main parameter for rheology controlling. In this chapter we treated the yield stress of these materials as a rheological parameter example. We have shown that it is more appropriate to control the water distribution in order to control the rheological properties of theses suspensions by taking into account the spongy nature of the lignocellulosic material. We have shown how to determine the critical concentrations separating the semi-concentrated, concentrated, triphasic and the wet granular behaviors and their relationship with yield stress. In the fourth chapter, we studied the effect of changes in the anaerobic digestion operating parameters, such as fiber size, temperature and TS on the rheological properties of materials. Several models and empirical equations have been proposed to quantify the advantage of making changes in the operating parameters on the rheology of these materials.


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