Présenté et soutenu publiquement le septembre 2010 par : NGOLLO MATEKE jean-aimé Travaux dirigés par : Dr Khalid Elyounssi Le Centre de Recherche Forestière de Rabat Dr. Joël BLIN Enseignant chercheur, UTER, GEI, LBEE, Cirad Ing. François-xavier Collard Doctorant, LBEE Jury d’évaluation du stage : Président : Membres et correcteurs : Khalid Elyounssi Joël Blin François-Xavier Collard Promotion 2009/2010 Etude de la carbonisation-pyrolyse du bois d’Eucalyptus par méthode thermogravimétrique et calorimétrique MEMOIRE POUR L’OBTENTION DU MASTER SPECIALISE Génie électrique Option : Energétique et énergies renouvelables Laboratoire Biomasse, Energie et Biocarburant (LBEB) Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour Le Développement (CIRAD)
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Présenté et soutenu publiquement le septembre 2010 par :
NGOLLO MATEKE jean-aimé
Travaux dirigés par :
Dr Khalid Elyounssi
Le Centre de Recherche Forestière de Rabat
Dr. Joël BLIN
Enseignant chercheur, UTER, GEI, LBEE, Cirad
Ing. François-xavier Collard
Doctorant, LBEE
Jury d’évaluation du stage :
Président :
Membres et correcteurs : Khalid Elyounssi
Joël Blin
François-Xavier Collard
Promotion 2009/2010
Etude de la carbonisation-pyrolyse du bois
d’Eucalyptus par méthode thermogravimétrique
et calorimétrique
MEMOIRE POUR L’OBTENTION DU MASTER SPECIALISE Génie électrique Option : Energétique et énergies renouvelables
Laboratoire Biomasse, Energie et Biocarburant (LBEB)
Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour
Le Développement (CIRAD)
NGOLLO MATEKE Jean-aimé Mémoire de Fin d’Etude de Master spécialisé GE i
Je dédie ce travail à :
JEHOVAH sans qui rien n’est possible
Mes feus parents Eboulè Matekè Véronique et Ngollo Mouandjo Victor,
tout le mérite leurs revient
Pour leurs sacrifices, leur affection et leur amour.
Mes frères et Sœurs pour tout l’amour, bienveillante attention et soutien
tout au long de cette année qu’ils retrouvent ici tous autant qu’ils sont toute
ma reconnaissance.
A mon Oncle NGANGUE Eyoum pour ses encouragements et soutien.
A Jeanne-aimée qui a toujours cru en moi.
Soit A un succès dans la vie. Alors A = x + y + z, où x = travailler, y = s'amuser, z = croire.
Albert Einstein, Extrait du Magazine : The Observer
NGOLLO MATEKE Jean-aimé Mémoire de Fin d’Etude de Master spécialisé GE i
REMERCIEMENTS
Le présent travail a été réalisé au Laboratoire des Biomasses Energies et Biocarburants (LBEB) du
2ie sous la direction du Dr Joël BLIN en collaboration avec le Dr Khalid ELyounssi du Centre de
Recherche Forestière de Rabat et l’ingénieur François-Xavier Collard doctorant au LBEB.
Je tiens à remercier Monsieur le Docteur Joël Blin pour m’avoir accueilli dans son équipe et
m’avoir fait confiance. Je lui suis très reconnaissant du bien veillant encadrement qu’il m’a
apporté.
Je tiens également à remercier Monsieur le Docteur Khalid Elyounssi d’avoir accepté de diriger et
d’examiner ce travail. Je salue en lui sa minutie et sa diligence. Qu’il trouve ici le témoignage de
ma respectueuse gratitude.
Je remercie Monsieur le Doctorant François-Xavier Collard pour sa disponibilité, ses conseils et
suggestions.
Je remercie l’Union Européenne pour avoir financé ma formation.
Je remercie tous les enseignants de l’UTER GEI du 2ie pour leur précieux encadrement et conseils
tout au long de notre si enrichissante formation.
Je remercie le personnel du Cirad et du Laboratoire des biomasses Energies et Biocarburants pour
l’accueil irréprochable au sein du groupe.
Mes camarades de promotion, pour les moments de joie que nous avons eu à partager.
Je remercie Priso Moukate Corine pour ses messages d’encouragement et de réconfort. Je remercie
également tous mes neveux et nièces pour la joie et la lumière qu’ils m’apportent quand je les
regarde.
NGOLLO MATEKE Jean-aimé Mémoire de Fin d’Etude de Master spécialisé GE ii
Sommaire
REMERCIEMENTS ....................................................................................................................... i
LISTE DE TABLEAUX & FIGURES ........................................................................................... iv
TABLEAUX ................................................................................................................................. iv
FIGURES ...................................................................................................................................... iv
SIGLES .......................................................................................................................................... v
RESUME ....................................................................................................................................... vi
ABSTRACT ................................................................................................................................. vii
INTRODUCTION GENERALE .................................................................................................. 1
NGOLLO MATEKE Jean-aimé Mémoire de Fin d’Etude de Master spécialisé GE iv
LISTE DE TABLEAUX & FIGURES
TABLEAUX
TABLEAU 1: MODES DE PYROLYSE DANS LA LITTERATURE ...........................................................................................................13
TABLEAU 2: TEMPERATURE DE CHANGEMENT DE VITESSE DE CHAUFFE .........................................................................20
TABLEAU 3: ANALYSE IMMEDIATE ET ANALYSE DES COMPOSES DE L’EUCALYPTUS .......................................................22
TABLEAU 4: RESULTATS DE L’EUCALYPTUS .............................................................................................................................34
TABLEAU 5: RESULTATS DES HEMICELLULOSES (XYLAN) .............................................................................................................35
TABLEAU 6: RESULTATS DE LA CELLULOSE ..............................................................................................................................35
TABLEAU 7: RESULTATS DE LA LIGNINE .................................................................................................................................36
FIGURES
FIGURE 1: LA CELLULOSE.................................................................................................................................................... 5
FIGURE 3: SCHEMA SIMPLIFIE DE LA PYROLYSE [6] .................................................................................................................... 7
FIGURE 4: EVOLUTION DE LA MASSE NORMALISEE D'UN ECHANTILLON D'EUCALYPTUS EN FONCTION DE LA TEMPERATURE [8] ...................... 8
FIGURE 5: EFFETS DE LA PRESSION SUR LE RENDEMENT EN CHARBON DE LA CELLULOSE [21] ...............................................................12
FIGURE 7: SCHEMA DE LA THERMOBALANCE UTILISEE AU LABORATOIRE ......................................................................19
FIGURE 8: PROTOCOLE EXPERIMENTALE DE PYROLYSE .................................................................................................21
FIGURE 9: PYROLYSE EUCALYPTUS A 2°C/MIN .............................................................................................................23
FIGURE 10: PYROLYSE EUCALYPTUS A 100°C/MIN .......................................................................................................24
FIGURE 11: PYROLYSE EUCALYPTUS ET CONSTITUANTS A 2°C/MIN ...............................................................................25
FIGURE 12:PYROLYSE DE LA LIGNINE ...........................................................................................................................26
FIGURE 13:PYROLYSE DE LA LIGNINE CHANGEMENT DE VITESSE A 500°C ......................................................................27
FIGURE 14: PYROLYSE DE L'HEMICELLULOSE (XYLAN) ..................................................................................................28
FIGURE 15: PYROLYSE DE L'HEMICELLULOSE (XYLAN) ..................................................................................................29
FIGURE 16: PYROLYSE XYLAN AVEC CHANGEMENT DE VITESSE A 300°C .......................................................................30
FIGURE 17: PYROLYSE DE LA CELLULOSE AVEC CHANGEMENT DE VITESSE A 360°C .......................................................31
FIGURE 18: PYROLYSE DE LA CELLULOSE .....................................................................................................................32
FIGURE 19: PYROLYSE DE L'EUCALYPTUS AVEC CHANGEMENT A 360°C.........................................................................33
NGOLLO MATEKE Jean-aimé Mémoire de Fin d’Etude de Master spécialisé GE v
SIGLES
2IE : Institut International d’Ingénierie de l’Eau et de l’Environnement
CIRAD : Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour
le Développement
CO2 : Dioxyde de Carbone
LBEB : Laboratoire de Biomasse Energies et Biocarburants
DSC : Differential Scanning Calorimetry
ATG : Analyse ThermoGravimétrique
NGOLLO MATEKE Jean-aimé Mémoire de Fin d’Etude de Master spécialisé GE vi
RESUME
Dans le travail proposé ici, nous déterminons à l’aide de la thermogravimétrie le régime thermique
optimal pour la pyrolyse du bois d’eucalyptus, bois fréquemment utilisé dans la fabrication du
charbon de bois. Les thermogrammes de l’eucalyptus sont comparés avec ceux des hémicelluloses
(xylan), de la cellulose et de la lignine. Les données thermogravimétriques des différentes
substances sont traitées pour pouvoir obtenir les rendements en charbon et en carbone fixe suivant
chaque régime de chauffe. Les courbes de pertes de masse des substances étudiées mettent en
évidence les différentes phases de la pyrolyse. Les courbes dTG des différents constituants du bois
font apparaitre chacune une étape de décomposition maximale, pour un régime à vitesse de chauffe
faible et sans changement de phase et deux étapes pour un régime avec changement de phase.
Tandis que celle de l’Eucalyptus en fait paraître trois étapes pour le régime sans changement de
phase dont deux assez visibles et une moins. Les résultats des calculs de rendements obtenus
montrent que les rendements sont meilleurs lorsqu’on fait une pyrolyse avec changement de phase
et pour l’eucalyptus la meilleure température de changement de phase est 360°C, lorsqu’on a
comme vitesse de chauffe faible 2°C/min et 100°C/min pour la grande vitesse de chauffe.
Mots Clés: Pyrolyse, Rendement, Eucalyptus, ATG. DSC
NGOLLO MATEKE Jean-aimé Mémoire de Fin d’Etude de Master spécialisé GE vii
ABSTRACT
In the present work, the optimal thermal regime for pyrolysis of Eucalyptus wood, a species
frequently used in the traditional manufacture of charcoal, is determined by thermogravimetry.
Thermograms of eucalyptus are compared with those of hemicellulose (Xylan), cellulose and lignin.
Data Thermogravimetric of different substances are processed in order to obtain yields in coal and
fixed carbon of different substances following each system of heating rate. The different curves of
mass losses of test substances show the various stages of pyrolysis. The DTG curves of the various
constituents of wood appear each at a maximum decomposition stage for a low system heating
rate, without phase change and two steps for a system with phase change. While that of the
Eucalyptus gives three steps for the system without phase change of which two are very visible
and one less. The calculation results show that yields are better when pyrolysis is made with phase
change and the eucalyptus best temperature phase change is 360 ° C, when the low heating rate is at
[3] : Enrico Biagini, Federica Barontini, and L. Tognotti, Devolatilization of Biomass Fuels
and Biomass Components Studied by TG/FTIR Technique. Ind Eng Chem Res, 2006. 45.
[4] : Wang, G., et al., TG study on pyrolysis of biomass and its three components under
syngas. Fuel, 2008. 87(4-5): p. 552-558.
[5] : Van de Velden M and al., Fundamentals, kinetics and endothermicity of the biomass
pyrolysis reaction,. Renewable Energy, 2009.
[6] : Khelfa, A., Etude des étapes primaires de la dégradation thermique de la biomasse
lignocellulosique. Thèse de doctorat, Université Paul Verlaine Metz,, 2009.
[7] : Courbet J. Thèse de doctorat, Université de la rochelle 2005
[8] : Mermoud, F., Gazéification de charbon de bois à la vapeur d'eau : de la particule
isolée au lit fixe continu. Thèse de doctorat, Institut National Polytechnique de Toulouse INPT, 2006.
[9] : Van de Velden M and al., Fundamentals, kinetics and endothermicity of the biomass
pyrolysis reaction,. Renewable Energy, 2009. [10]: G Goyal, D Seal, and R. Saxena, Bio-fuel from thermochemical conversion of
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[11]: ROUSSET, P., et al., Choix d’un modèle de pyrolyse ménagée du bois à l’échelle de la microparticule en vue de la modélisation macroscopique. Revue, 2004. [12]: Kifani-Sahban, F., et al., Variations dimensionnelles accompagnant le traitement
thermique de la cellulose sous atmosphàre inerte. Thermochimica Acta, 1997. 307(2): p. 135-141
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NGOLLO MATEKE Jean-aimé Mémoire de Fin d’Etude de Master spécialisé GE 39
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Thème : Etude de la carbonisation-pyrolyse du bois d’Eucalyptus par méthode thermogravimétrique Cirad/2IE/ septembre 2010
ANNEXES
Annexe 1.1: Protocole d’utilisation de l’Analyseur Setsys Evolution ATG16/18
- Utilisation en mode TG-DSC
A.1.1.1 Mise en route des appareils
Allumer l’ordinateur qui sert pour l’acquisition des données puis allumer l’Analyseur
thermogravimétrique (interrupteur à l’arrière).
Ouvrir les bouteilles de gaz : gaz de protection (argon), gaz porteur et 2ème gaz (en cas de mélange
dans le four). La pression sur les manomètres doit être inférieure à 3bar (la pression maximum
d’entrée est de 3 bars).
Ouvrir la circulation d’eau (robinet connecté au tuyau bleu) et vérifier que la sortie est bien dans le
lavabo.
Démarrer l’application Collection. Cliquer sur Visualisation, Programmation directe. Sélectionner
l’appareil Setsys 1750(TGA-DSC 1500) CS Evol.
A.1.1.2 Mise en route du module de pesée
Dans l’onglet TG Setsys 1750 (TGA) CS Evol, on peut lire différentes valeurs :
DTG (mg/min) : Variation du signal TG au cours du temps (indique si la balance est stable)
TG sans tare (mg) : Masse de l’échantillon mesurée par la balance
TG avec tare (mg) : Masse de l’échantillon après avoir effectué la tare
Tare (mg) : Valeur de la TG sans tare lorsque la dernière a été effectuée
Equilibrer la balance en plaçant des billes de plomb écrasées dans les plateaux d’équilibrage et en
prévoyant la masse de l’échantillon à ajouter. En prenant en compte la perte de masse lors de
l’analyse, la masse TG sans tare doit toujours être comprise entre -200mg et +200mg. En dehors
de cette gamme de mesure, le signal est saturé et la balance affiche une masse inexacte. Dans le cas
où cette masse varie entre -20mg et 20mg (perte de masse inférieure à 40mg), il est possible de
cocher la case Petite Gamme pour une meilleure résolution du signal et des mesures encore plus
précises.
Exemple :
- TG sans tare : + 100mg
Masse de l’échantillon à ajouter : 250mg
NGOLLO MATEKE Jean-aimé Mémoire de Fin d’Etude de Master spécialisé GE 41
En ajoutant l’échantillon, la masse TG sans tare serait de 350mg, ce qui est hors de la portée de la
balance. Il faut donc ajouter des billes de plomb du côté référence pour abaisser la TG sans tare sans
arriver en dessous de -200mg
- TG sans tare : -170mg, avec l’échantillon, la TG sans tare sera de +80mg donc dans la portée de la
balance.
Quand le signal DTG est inférieur ou égal à 0,01mg/min faire la tare en cliquant sur Effectuer tare
A.1.1.3 Mise en place de l’échantillon
Lever la tête pivotante de la carrosserie et enlever le capot de la balance. Faire monter la colonne de
manière à sortir entièrement le tube anti-convection. Placer la plaque métallique pour boucher le
dessus du four. Après avoir peser l’échantillon dans la balance à précision située sur la paillasse,
poser le creuset contenant l’échantillon dans la canne proche du creuset de référence. Enlever la
plaque métallique et faites descendre la canne dans le four jusqu’à la butée.
Ensuite attendre que le signal dTG soit inférieur ou égal à 0,01mg/min alors noter les différentes
valeurs de TG sans tare TG avec tare et tare.
Renvoyer le gaz inerte à 200ml/min pendant 5min ensuite faire le vide et après avoir fait le vide,
remplir le four avec le gaz inerte en renvoyant le gaz avec un débit de 200ml/min jusqu’à saturation,
puis réduire le débit du gaz à 20ml/min et lorsque le signal dTG est à nouveau inférieur ou égal à
0,01ml/min alors noter à nouveau les valeurs de TG sans tare , TG avec tare et tare.
A.1.2. Programmer une expérimentation
Cliquer sur l’onglet Acquisition et choisir Acquisition Setsys 1750 (TGA-DSC 1500) CS Evol. Dans
l’onglet Description, saisir le nom de l’expérimentation, un éventuel Commentaire, la Masse de
l’échantillon.
L’expérimentation est divisée en Phases, elles-mêmes pouvant comportées plusieurs Séquences.
Toutes les phases d’une expérimentation sont enregistrées dans le fichier portant le même nom. Par
contre, pour traiter les données, on ne peut faire apparaître sur un même graphique que les tracés
correspondant à une seule phase. Dans Explorateur d’expérimentation, choisir la Phase
Standard à modifier. Il est possible d’ajouter une phase supplémentaire. Pour cela cliquer droit sur
une Phase standard et sélectionner Ajouter Phase, la nouvelle phase est insérée après la phase
sélectionnée. Une phase peut être constituée de plusieurs séquences (paliers ou rampes). Pour
ajouter une séquence, cliquer droit dans la Liste des Séquences et sélectionner Ajouter Palier ou
NGOLLO MATEKE Jean-aimé Mémoire de Fin d’Etude de Master spécialisé GE 42
Ajouter Rampe. Pour chaque séquence, modifier les paramètres dans Description d’une séquence :
T. initiale, T. finale, Durée, Gaz de protection et de balayage, circulation d’eau (le symbole
rouge signifie désactivé et vert activé). Il est préférable de programmer une phase en fin
d’expérience pour refroidir le four, arrêter la circulation d’eau et des gaz.
Cocher en dessous si vous souhaitez enregistrer les données de toute la phase et pour faire la tare
au démarrage de la phase. Vérifier sur le graphique représentant la température en fonction du
temps s’il n’y a pas de discontinuité sur le programme. Quand tout est prêt, sélectionner Lancer
expérimentation « en cliquant sur le petit bonhomme qui court » dans Acquisition.
A la fin de l’expérimentation, démonter l’appareil en suivant le protocole inscrit dans Notices
Setaram, un dossier situé dans Mes Documents sur le Bureau de l’ordinateur.
A.1.3 Consignes de Sécurité
1) Le débit minimum de fonctionnement est de 1,4l/min soit 4 LED verte (diodes visibles à travers
le plexiglas). Si le débit est en dessous une LED rouge s’allume. Au bout de 10 secondes,
l’expérimentation est arrêtée
2) Il n’est pas possible d’ouvrir le four et de monter la colonne quand la température du four est
supérieure à 70°C. Il est possible de désactiver cette sécurité en cliquant sur Sécurité dans
Programmation Directe.
3) La colonne est bloquée tant que la pression dans la chambre d’analyse est inférieure à 680mbar
4) En cas de court-circuit, si la puissance de chauffe est supérieure à 100% pendant 1 minute, la
sécurité coupe la puissance.
.
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