Electrification rurale et motorisation villageoise à partir de la biomasse dans les centres isolés sous forêt: cas de la province du Centre au Cameroun

III.2/- La carbonisation

III.2.1/- Description et théorie.

La carbonisation est le processus de transformation thermochimique de la biomasse en vue de la production du charbon de bois. Celui-ci s'obtient par pyrolyse du bois c'est-à-dire la destruction, sous l'action de la chaleur et en l'absence d'oxygène des composés organiques ou minéraux du bois. Ici, c'est en particulier la dégradation des deux polymères végétales qui constituent le bois c'est-à-dire la cellulose _(C6H10O5)n et la lignine _(C10H12O3)n. Cette destruction donne naissance à trois types de produits :

- Le charbon de bois qui représente 25% à 30% du poids du produit, contient 80% à 90% de carbone et regorge ainsi 45% à 55% de l'énergie des produits.

- Les pyroligneux : représentant 40% à 45% de l'énergie et est constituée essentiellement d'eau, d'acide acétique, d'acétone, d'acide formique, de méthanol, d'acide de méthyle, de phénol de crésol et plus quelques goudrons épais.

- Les gaz quant à eux représentent 10% à 15% du poids, 10% à 15% de l'énergie du produit et sont constitués essentiellement de l'oxyde de carbone (CO), du gaz carbonique (CO2) du méthane (CH4) et de quelques traces d'hydrogène (H2) (GIRARD P., 1985).

Les principaux paramètres qui influencent la pyrolyse sont :

· la température dont l'augmentation fait croître les proportions de gaz et de pyroligneux ;

· La vitesse de pyrolyse ;

· Taille, forme et qualité du bois ; Parlant de la qualité, il est important de noter qu'un bois contenant plus de lignine (Pin) donnera un résidu charbonneux plus important, car la lignine est plus riche en carbone que la cellulose et l'hemicellulose ;

· L'humidité du bois : une partie de l'énergie produite sert à évaporer l'humidité qu'il contient.

Suivant la conduite de la réaction, on favorisera la formation de gaz (on parle alors de gazéification) ou de charbon de bois, (on parle de carbonisation). Bien entendu, le charbon produit peut être à nouveau gazéifié.

Les travaux réalisé par Browne en 1958 lui ont permis de conclure que : "le rendement de production lors de la pyrolyse complète du bois est quasiment similaire à celui des principaux constituants traités séparément". On retrouve dans une publication de Robert de 1970, que la pyrolyse des matières végétales commence avec la dégradation des hémicelluloses, constituants les moins actifs, entre 200°C et 260 °C, puis nous avons celle de la cellulose de 240°C à 350°C. La dégradation de la lignine commence à environ 280°C pour achever le processus à 500°C. De façon plus détaillée, on retiendra que la pyrolyse suit l'évolution suivante (GIRARD P., 1985) :

- Jusqu'à 100°C, le bois sous l'action de chaleur se dessèche et perd son eau sans subir

de changement d'ordre chimique.

- Vers 150°C, le bois brunit et on peut déceler la présence de l'acide acétique dans l'eau

condensée.

- Vers 280°C, le bois est en pleine décomposition par condensation des vapeurs qui se

dégagent on obtient un liquide abondant qui se sépare par dépôt en deux couches : les

14 CHAPITRE I: Généralités et Aperçu Bibliographique

goudrons d'un noir intense à la couche inférieure et les pyroligneux à la couche supérieure aqueuse, de couleur rouge foncé. Les gaz incondensables qui s'y échappent sont constitués d'anhydride carbonique, de monoxyde de carbone de méthane et d'autres hydrocarbures.

- Vers 300°C la décomposition du bois augmente encore, la température s'élève
rapidement toute seule sans chauffage à la suite du fort dégagement de chaleur qui accompagne la réaction primaire. C'est la phase exothermique de la carbonisation. La chaleur de réaction dégagée au cours de cette phase est égale à 6% de la chaleur de combustion du bois.

- Au-delà de 350°C, la distillation se ralentit et elle devient pratiquement complète vers

450°C. Il ne se dégage plus alors que de faibles quantités de gaz et de vapeur condensable. Après refroidissement à l'abri de l'air, on trouve dans le four un résidu de charbon de bois noir, brillant et sonore, si la carbonisation a été suffisamment poussée et bien dirigée.

Dans le processus de carbonisation on peut donc distinguer les quatre grandes phases suivantes :

Tableau n°1 : Les différentes phases du processus de carbonisation.

Phases	Température approximative	Faits marquants	Produits
A- Combustion	Temp. Ambiante à 100°C	Séchage	Eau		B- Déshydratation
100°C à 270°C	De quelques heures à plusieurs jours	Eau, CO2	C- Phase exothermique
270°C à 450°C	- dégagement chaleur - décomposition brutale du bois - dégagement des matières (vapeurs condensables chargées de goudron, d'eau et d'acide acétique)	Acide acétique, alcool methylitique, goudron, CO2, CO, CH4, H2, N2	D- Refroidissement
De 450°C à la température ambiante	Vitesse de décroissement dépendant de la technique de carbonisation

Si nous nous intéressons durant ces différentes étapes aux proportions massiques d'évolution des produits obtenus lors de la pyrolyse du bois ainsi que les proportions de carbone fixe, du charbon correspondant, on peut avoir les différents valeurs en fonction de la

120

100

40

20

80

60

0

0 200 400 600 800 1000

TEMPERATURE (°C)

Figure n°1: Evolution de la proportion massique des des produits obtenus
lors de la pyrtolyse du bois et, du taux de carbone fixe du charbon
correspondant en fonction de la température

Rendement n(%)

Taux de carbone fixe (%)

Taux de gaz (%)

Taux de matières
condensables (%)

température. Le rendement de la carbonisation peut être considéré comme la proportion de matière solide des produits par rapport à la masse de combustible anhydre de départ.

En reconstituants les valeurs obtenues par E.M.Boizi en 1999 (BOIZI E., 1999) on peut avoir le tableau suivant :

Tableau n° 2: Evolution des différents constituants du bois et de la température au cours de la carbonisation

Température (°C)	Rendement ?(%)	Taux de carbone fixe (%)	Taux de matières condensables (%)	Taux de gaz (%)
T° ambiante	100	50	0	0
100	98	50	0	0
150	96	50	4	0
200	90	55	10	3
225	80	60	15	7
250	70	70	25	10
275	60	75	33	12
300	50	76	37	15
350	45	80	42	16
400	38	87	45	16
450	36	90	46	18
500	33	95	45	20
550	30	96	44	25
600	30	96	44	30
700	30	96	43	33
800	15	98	42	34
900	10	98	43	34

A partir du tableau n° 2, on peut avoir les courbes de la figure n°1 qui donnent l'évolution des différentes proportions des produits de pyrolyse en fonction de la température.

En ce qui concerne l'aspect cinétique de la transformation, on admet que la dégradation thermique des matières ligno-cellulosiques suit une loi cinétique qui est celle de 1er ordre d'Arrhenius. Cette tendance fut observée par AKITA en 1929 puis vérifiée par TANG en 1967. On pose pour ce faire en pratique l'équation suivante (ou une de ses variantes) (E. Boizi, 1999).

d E ( c ) .( c ) .exp( ).( ) - = - K - = - k - - c dt RT

(1)

Cu :

? = densité de la matière à l'instant t en kg/m³;

?_c = la densité du charbon en fin de pyrolyse kg/m³;

K = est la constante de vitesse de la réaction de pyrolyse en s^-1;

k = est le facteur pré-exporentiel d'Arrhenius (s^-1);

E= énergie d'activation en kJ/kg

R = Constante universelle des gaz kJ.kg-1 K-1

T = température absolue (K)

k et E sont les données cinétiques de la dégradation thermique d'une matière carbonée. A titre indicatif, voici quelques valeurs du rapport E/R : 9500 K, 8810 K, 14700 K, 50946 K (BOIZI E., 1999).

Les valeurs de k varient avec des rapports de plus de 10²⁰. Cette variation des énergies d'activation est liée aux conditions expérimentales (mode d'évacuation des gaz, durée de traitement ...) et à l'échantillon utilisé (taille, forme, distribution spécifique de constituants).