Substitution de combustibles fossiles par des combustibles biosourcés dans les fours à chaux : comportement thermique et impact environnemental

Replacing fossil fuels with biosourced fuels in limekilns : investigation of the thermal behavior and environmental impact

• Auteur / Autrice : Bénit Bouesso
• Direction : Ange Nzihou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 10/12/2024
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (Albi ; 2012-....) - Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE
• Jury : Président / Présidente : Catherine Azzaro-Pantel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ange Nzihou, Claire Courson, Marco J. Castaldi, María González Martínez, Bruna Rêgo de Vasconcelos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Courson, Marco J. Castaldi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fours à chaux

Combustion

Pyrolyse

Anthracite

Mots clés libres

Biocarbone

Anthracite

Four à chaux

Pyrolyse

Combustion

Indicateurs environnementaux

Biocarbon

Anthracite

Limekiln

Pyrolysis

Combustion

Environmental indicators

Résumé

Ce travail examine la faisabilité de l'utilisation du biocarbone comme combustible alternatif dans les fours à chaux pour remplacer le charbon fossile dans le procédé Soda Ash. Les biocarbones ont été produits à partir de combustible solide de récupération (BC) et de bois (WBC). L'anthracite a été sélectionné comme combustible fossile de référence à remplacer et le biocoke issu de la coque de noix de coco a également été analysé pour comparaison. Les échantillons ont été caractérisés en termes de composition chimique et de propriétés physiques et thermiques. La stabilité thermique des combustibles et les performances de combustion ont été évaluées par analyse thermogravimétrique. L'évaluation des émissions a été réalisée en pyrolyse et en combustion, de l'échelle laboratoire à l'échelle pilote, de manière à reproduire les conditions extrêmes du four à chaux. Les résultats ont montré que la dévolatilisation a augmenté la stabilité thermique du biocarbone, rendant son comportement proche de celui de l'anthracite. Le biocoke et les biocarbones ont montré des températures d'ignition plus basses, mais un taux de combustion plus élevé par rapport à l'anthracite, le combustible le plus stable. Les émissions en CO2 des échantillons WBC ont été plus élevées que celles de BC. En ce qui concerne les composés organiques volatils, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) ont été identifiés et quantifiés. Même si le biocarbone produit des HAP avec moins de cycles (<5) lors de la pyrolyse/combustion, ses émissions ont été plus élevées que celles de l'anthracite. Pour atténuer la réactivité du biocarbone, une co-combustion de 50/50 biocarbone/anthracite a été proposée, offrant ainsi les avantages d'une température d'ignition plus élevée et d'émissions plus faibles.

This work investigates the feasibility of using biocarbon as an alternative limekiln fuel to substitute coal in the Soda Ash process. Biocarbons were produced from solid refuse fuel (BC) and wood (WBC). Anthracite was selected as the reference fossil fuel to be replaced, and biocoke from coconut shell was also considered for comparison. Samples were characterized in terms of chemical composition, physical and thermal properties. Fuel thermal stability and combustion performance were evaluated using thermogravimetric analysis. Emissions assessment was performed in pyrolysis and combustion from lab-scale to pilot-scale, so that extreme limekiln conditions were reproduced. The results showed that devolatilization increased biocarbon thermal stability, making its behavior close to that of anthracite. Biocoke and biocarbons showed lower ignition temperatures but a higher burning index compared to anthracite, which was shown as the most stable fuel. CO2 emissions from WBC were higher than those of BC samples. Amongst the volatile organic compounds released, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) were identified and quantified. Even if biocarbon produced PAH with less rings (<5) in pyrolysis and combustion, its emissions were higher compared to anthracite. To mitigate biocarbon reactivity, a 50/50 biocarbon/anthracite co-combustion was proposed, thus offering the advantages of higher ignition temperature and lower emissions.