Study of biomass powders in the context of thermal recovery processes

par Clément Vanneste-Ibarcq

Thèse de doctorat en Génie des Procédés et de l'Environnement

Sous la direction de Alain de Ryck.

Soutenue le 15-11-2018

à l'Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux , dans le cadre de École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse) , en partenariat avec Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (Albi) (laboratoire) et de Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE (laboratoire) .

Le président du jury était Khashayar Saleh.

Le jury était composé de Alain de Ryck, Nouria Fatah, Sylvia Larsson, Capucine Dupont, Thierry Melkior.

Les rapporteurs étaient Khashayar Saleh, Nouria Fatah.

  • Titre traduit

    Étude de poudres de biomasse dans le cadre de la valorisation thermique de biomasse


  • Résumé

    Certains procédés de production d’énergie nécessitent l’utilisation de poudres de biomasse, par exemple la gazéification en réacteur à flux entraîné (RFE). Cependant, les poudres de biomasse ont une mauvaise coulabilité. L’objectif de cette thèse est d’étudier leurs propriétés d’écoulement dans le contexte de la gazéification en RFE, à l’échelle du laboratoire et à l’échelle pilote. A l’échelle du laboratoire, des mesures en tambour rotatif, des tests de cisaillement et des mesures de densité ont été effectués. D’une part, une corrélation est mise en évidence entre la cohésion (issue des tests de cisaillement), la densité et l’angle d’avalanche (tiré des mesures en tambour). Ainsi, un paramètre difficile à obtenir comme la cohésion peut l’être à partir de mesures simples. D’autre part, l’influence de l’humidité sur la coulabilité des poudres de biomasse a été évaluée. L’humidité n’a pas d’effet significatif sous 15 % (en masse, base humide), car l’eau est adsorbée dans la structure de la biomasse ; les particules gonflent et ne sont pas liées par des ponts liquides. Un procédé de granulation humide est proposé. Un liant issu de déchets de biomasse est ajouté à la poudre pour former des granulés d’environ 1 mm. Leur forme sphérique diminue l’entrelacement des particules et leur faible polydispersité diminue le nombre de points de contact. Une amélioration de l’écoulement est observée à l’échelle labo. Une étude énergétique montre que la consommation énergétique du procédé peut descendre jusqu’à 12% du pouvoir calorifique inférieur, ce qui suggère une potentielle rentabilité économique du procédé. Enfin, la caractérisation à l’échelle supérieure est effectuée dans un pilote reproduisant l’injection en RFE. Les résultats montrent le rôle essentiel de la sphéricité et d’une faible polydispersité des particules. L’effet positif de la torréfaction et de la granulation sur la coulabilité est mis en évidence.


  • Résumé

    Some power generation processes require the biomass to be finely ground, such as biomass gasification in entrained flow reactors. However, fine biomass powders are cohesive and present flow issues. This thesis aims to study the biomass powder flowability in the context of the entrained flow gasification process. Biomass powders are characterized both at laboratory scale and pilot scale. Characterization at lab scale consisted of rotating drum measurements, shear tests and density measurements. First, a correlation is found between the cohesion (derived from shear tests), the powder density and the avalanche angle (derived from the rotating drum measurements). Thus, parameters difficult to get such as the cohesion can be obtained with easy to perform measurements. Then, the influence of moisture content on wood powder flowability has been assessed. No significant effect of the water content is found below 15 wt% (wet basis). Below 15%, as water is adsorbed in the biomass structure, the particles swell without being linked by liquid bridges. A wet granulation method is proposed. Biomass waste binders are added to the powder to form granules around 1 mm. The spherical shape lowers the interlocking phenomenon. The low size dispersity of the grains decreases the number of contact points between particles. An improvement of the flowability at lab scale is observed. An energetic study of the granulation process is proposed, showing the energy consumption can be as low as 12% of the biomass Lowest Heating Value. Thus, the process is potentially economically profitable. Finally, characterization at pilot scale is performed with a device mimicking the injection in an entrained flow reactor. The results show the essential roles in the injection step of both the spherical shape and the narrow size distribution of the particles. The positive effect of torrefaction and granulation on the flowability is highlighted.


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