Valorisation énergétique des grignons
Un article de AFIDOL.
 Travaux financés par l’Union Européenne, |
Sommaire |
Contexte
- Compte tenu du pouvoir calorifique des grignons et de l’augmentation du prix des combustibles fossiles, il paraît opportun d’examiner la transformation et l’utilisation des grignons à des fins énergétiques afin de réduire les coûts d’élimination des résidus issus des moulins à huile. D’ailleurs, le Ministère de l’Ecologie, du Développement et de l'Aménagement Durables considère les grignons d’olive comme de la biomasse pouvant entrer dans la composition d’un biocombustible.
- Le noyau d’olive présente ainsi un pouvoir calorifique de l'ordre de 5 kWh / kg. Sur le bassin oléicole français, le potentiel énergétique annuel du gisement de noyaux d’olive peut ainsi être évalué à 30 000 MWh à l’horizon 2015 (évaluation réalisée pour 15 % de noyau dans l’olive), soit une économie équivalente à 3 millions de litres de fioul domestique en entrée chaudière (2 600 tonnes équivalentes pétrole) et une diminution des rejets de CO2 de près de 9 000 tonnes au niveau national.
- Les taux d’humidité rencontrés dans les grignons issus des chaînes continues ne permettent pas de valoriser directement ces produits dans une filière énergétique. Des fabricants italiens proposent actuellement des procédés mécaniques permettant la production de briquettes par dessiccation ou bien de noyaux d’olive par séparation à partir de grignons humides. Toutefois, de nombreux désagréments ont été observés sur les chaudières à biomasse utilisant ce type de combustible : mâchefers, altération rapide de la chaudière, fumées opaques…
- Aussi, avant de proposer aux moulins ce type de valorisation de leurs résidus, il est essentiel de :
- - de garantir la qualité des biocombustibles qui seront proposés à la vente,
- - de s’assurer de la rentabilité de la filière,
- - d’organiser la production de biocombustibles ainsi que l’approvisionnement des chaudières.
- La prise en compte de l’ensemble de ces critères permettra de garantir la pérennité de la filière de valorisation énergétique des grignons d’olive.
Présentation des travaux
| OBJECTIFS | MOYENS | CALENDRIER D'EXECUTION | ||||||
| A- Satisfaire les contraintes concernant les biocombustibles et leur combustion :
| A1- Analyses chimiques sur deux produits issus de la trituration de l’olive :
| A1- Organisation de l’approvisionnement en produits : 30 octobre 2007 au plus tard.
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| A2- Détermination des meilleures conditions de combustion des deux produits issus de la trituration de l’olive. | A2- Evaluation des températures nécessaires à une bonne combustion des produits par des tests de thermobalance et détermination des taux de cendre.
| A2- Début des tests de dégradation thermique : au terme des analyses prévues dans l’objectif A1.
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| A3- Détermination du (ou des) biocombustible(s) possible(s). | A3- Définition (si nécessaire) des mélanges à réaliser entre les résidus de trituration et de la biomasse (bois) afin d’obtenir une combustion saine.
| A3- Début des travaux : au terme des analyses prévus dans l’objectif A2.
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| A4- Validation des biocombustibles produits par des tests de combustion en chaudière. | A4- Tests de combustion en chaudière de faible capacité (35 kWh) sur le(s) biocombustible(s) produit(s) à partir des résidus de trituration de l’olive : suivi continu des fumées et du devenir des cendres.
| A4- Début des travaux : après le 30 avril 2008, date limite pour la présentation des travaux répondant aux objectifs A1, A2 et A3.
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| A5- Garanties sur l’origine des biocombustibles produits. | A5- Présentation de l’origine des biocombustibles produits et des différentes étapes de fabrication. | A5- Synthèse sur l’origine des biocombustibles produits : du 1er septembre 2007 au 31 mars 2009 au plus tard.
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| A6- Garanties sur la stabilité de composition chimique des biocombustibles produits. | A6- Caractérisation physico-chimique des biocombustibles produits en vue de démontrer leur stabilité. | A6- Synthèse sur la stabilité des biocombustibles produits : 31 mars 2009 au plus tard.
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| B- Déterminer la faisabilité technico-économique de la valorisation énergétique des grignons d’olive :
| B1- Détermination des prix de vente à pratiquer à partir :
| B1- Synthèse sur les prix de vente des combustibles : 31 mars 2009 au plus tard. | ||||||
| B2- Evaluation de la rentabilité des installations de production de biocombustibles. | B2- Détermination de l’investissement nécessaire à la mise en œuvre d’installations de production répondant à diverses capacités de traitement :
| B2- Début des travaux : 1er mai 2008 au plus tôt.
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Avancement des travaux au 31 août 2007
- Avancement de l'objectif A (Satisfaire les contraintes concernant les biocombustibles et leur combustion) :
- - La réalisation des travaux prévus dans l'objectif A nécessite le recours à un laboratoire spécialisé dans la combustion de la biomasse. Le Laboratoire d'Etudes et de Recherche sur le Matériau Bois (LERMAB) à Epinal a été identifié comme ayant la structure et les compétences requises pour mener à bien les travaux prévus. D’ailleurs, la visite effectuée à la fin août 2007 a permis de vérifier les installations du LERMAB.
- - La SARL Crokbois (filiale du groupe Résipur) assurera la préparation (séchage et broyage) et le conditionnement des matières premières (grignons – noyau d’olive – bois) sous forme de granulés (objectif A3). Ce travail sera réalisé sur les installations du LERMAB. M. Bery a été chargé de cette mission pour le compte de la SARL Crokbois suite aux recommandations du LERMAB pour son savoir-faire. M. Bery a en effet réalisé son master de recherche au LERMAB sur le conditionnement des combustibles de type biomasse.
- - M. Bernard, docteur de l’Université de Nancy, assurera la mise en œuvre et le suivi des tests de combustion sur chaudière ainsi que l’analyse préliminaire des résultats obtenus (objectif A4). Ces tests de combustion seront réalisés sur les installations du LERMAB. M. Bernard a été chargé de cette mission suite aux recommandations du LERMAB pour son savoir-faire et sa connaissance des installations. M. Bernard a en effet réalisé sa thèse de doctorat au LERMAB sur la caractérisation et l’optimisation de la combustion de bois fragmentés en chaufferies automatiques.
- - Le bureau d’études SARL Energico (Pfastatt – Haut-Rhin) se chargera d’accompagner le Centre Technique de l’Olivier dans l’élaboration du bilan réglementaire destiné au Ministère de l’Ecologie, du Développement et de l’Aménagement Durables pour validation du (ou des) biocombustible(s) produit(s) (objectifs A4 – A5 – A6). La SARL Energico a une forte expérience dans le domaine de la mise en place de chaufferies collectives ou industrielles, avec notamment une bonne connaissance de la réglementation afférant à ce type d’installation et à l’utilisation de combustibles variés.
- - Le groupement des quatre partenaires LERMAB – M. Bernard – Crokbois – Energico permettra ainsi de couvrir l’ensemble des besoins de l’objectif A, tant au niveau technique que réglementaire. Au 31 août 2007, la convention entre ces quatre partenaires et le Centre Technique de l’Olivier est en cours d’élaboration.
- - La réunion du 30 août 2007 entre le Centre Technique de l’Olivier et les trois partenaires LERMAB – M. Bernard – Energico a permis de mieux définir le cahier des charges et d’élaborer le calendrier d’exécution.
- - La société Crokbois est pressentie pour assurer l’achat, le stockage et le transport des matières qui entreront dans la composition des combustibles (grignons – noyau d’olive – bois). Cette mission fera l’objet d’un contrat de sous-traitance.
- - Les premiers travaux prévus dans l’objectif A débuteront en novembre 2007.
- Avancement de l’objectif B (Déterminer la faisabilité technico-économique de la valorisation énergétique des grignons d’olive) : la réalisation des travaux prévus dans l'objectif B1 sera confiée à la SARL Energico. Le LERMAB transmettra à Energico les résultats nécessaires à la réalisation de l’objectif B1.
- Communication sur le programme : un article présentant le projet a été rédigé et publié dans le n°58 de la revue spécialisée "Le Nouvel Olivier".
Avancement des travaux au 30 avril 2008
Conclusion de l’objectif A1 (caractérisation physico-chimique des grignons et des noyaux d’olive)
- Rappel : la caractérisation physico-chimique permet de déterminer les possibilités de valorisation et les conditions opératoires qui devront être mises en oeuvre pour obtenir une combustion optimale.
- Concernant les grignons issus de presses :
- - Les teneurs en carbone (comprises entre 51,5 % à 56,2 %) et en hydrogène (comprises entre 6,3 % et 9,2 %) sont légèrement supérieures à celles du bois et expliquent le pouvoir calorifique légèrement plus élevé.
- - Les teneurs en métaux sont toutes faibles, même si quelques différences apparaissent.
- - Les teneurs en azote, en soufre et en chlore ne sont pas négligeables sur de nombreux échantillons et pourront conduire à la formation d’acides lors de la combustion : il conviendra d’en tenir compte dans l’élaboration d’un combustible de qualité qui puisse être brûlé sans difficulté dans les appareils existants (objectif A3) et de suivre ces éléments lors des tests de combustion (objectif A4).
- - Les teneurs en minéraux sont très élevées : respectivement 13 % et 7 % environ pour le potassium et le calcium, ce qui peut conduire à une production de mâchefers. Ces mesures seront prochainement réitérées car les données fournies dans la bibliographie et la teneur en cendre, de l’ordre de 1 %, confirment des teneurs en minéraux bien plus faibles. De plus, les analyses complémentaires réalisées sur d’autres échantillons de grignons permettent d’envisager des teneurs en minéraux inférieures à 10 %.
- - L’humidité moyenne des différents grignons issus de presses est relativement stable, comprise entre 25 et 35 %.
- - Le pouvoir calorifique supérieur est élevé, environ 22 000 kJ/kg, soit 10 % supérieur à celui rencontré habituellement sur du bois.
- - Le taux de cendres relativement faible (environ 1 %) laisse présager une possibilité de combustion dans des appareils existants sans difficulté particulière.
- Concernant les noyaux d’olive :
- - Les teneurs en carbone (de l’ordre de 48 %) et en hydrogène (de l’ordre de 6 %) sont très proches de celles du bois.
- - Les teneurs en métaux sont toutes faibles, exceptées pour le cuivre, le manganèse et le vanadium pour lesquels il existe une différence notable entre les échantillons analysés. Il est par conséquent probable que les noyaux ne posent pas de problème particulier.
- - Les teneurs en azote et soufre sont très faibles et permettent d’envisager une combustion sans formation d’oxydes d’azote, ni d’acide sulfurique.
- - Les teneurs en minéraux sont plus élevées que celles relevées dans les grignons : respectivement 10 % et 20 % environ pour le potassium et le calcium. Ces résultats semblent liés à des erreurs d’analyse : la bibliographie fournit des données bien inférieures et la teneur en cendres est bien inférieure à 1 %, ce qui confirme des teneurs en minéraux bien inférieures. Ces mesures seront donc prochainement réitérées pour valider les résultats.
- - L’humidité moyenne des noyaux est assez faible : moins de 20 % sur le produit brut.
- - Le pouvoir calorifique supérieur (PCS) est relativement élevé : 20 500 kJ/kg, soit légèrement plus que le PCS généralement rencontré sur du bois.
- - Le taux de cendres est faible : environ 0,6 %, ce qui ne devrait pas poser de problème dans les appareils classiques de combustion.
- Conclusion :
- - Ces résultats montrent qu’à priori, la valorisation des noyaux semble plus simple que celle des grignons et qu’il est certainement possible de brûler les noyaux seuls sans mélange avec une autre biomasse dans des appareils classiques.
- - La valorisation énergétique des grignons semble plus délicate et demande des confirmations. Il est ainsi probable que la production d’un combustible à partir des grignons nécessite le mélange avec une autre biomasse telle que le bois par exemple. Le principe le plus adapté serait alors de sécher, puis de mélanger du bois avec des grignons pour ensuite produire par compactage des granulés ou des briquettes en fonction des utilisations ultérieures.
Conclusion de l’objectif A2 (détermination des meilleures conditions de combustion des grignons et des noyaux d’olive) :
- Rappel : la caractérisation de la dégradation thermique permet de suivre la perte de masse des différents échantillons en fonction de la température et de caractériser les gaz issus de cette dégradation en vue, d’une part, de vérifier la valorisation possible et, d’autre part, de déterminer les meilleures conditions opératoires pour réduire les émissions polluantes lors de la combustion. Les analyses nécessaires à cette caractérisation ont été menées en deux étapes distinctes : d’abord en thermobalance dans des conditions de pyrolyse afin de déterminer les niveaux de température permettant d’obtenir une dégradation complète des combustibles, puis en réacteur tubulaire pour identifier les gaz issus de cette dégradation.
- Concernant les grignons issus de presses :
- - La perte de masse liée à la combustion ne débute réellement qu’à 200°C. La perte de masse principale se situe entre 250 et 340°C, intervalle de températures où plus de 50 % de la masse sèche des grignons est dégradée. Entre 340 et 550°C, la perte de masse est plus lente : à 550°C, la masse résiduelle ne représente plus que 30 % de la masse sèche initiale. Au-delà de 550°C, la perte de masse est très faible et quasi-nulle au-dessus de 700°C.
- - La teneur en matières volatiles est de l’ordre de 80 %.
- - Les vitesses observées de pertes de masse sont assez proches de celles du bois, ce qui montre la possibilité de brûler des grignons d’olive dans des appareils conçus pour une combustion du bois sans modification importante liée aux caractéristiques de dégradation thermique. De plus, le mélange envisageable avec du bois pour solutionner les problèmes liés aux caractéristiques chimiques des grignons pourront être à priori réalisé sans difficulté particulière.
- - Les spectres infrarouge obtenus sur les gaz analysés en sortie d’un réacteur tubulaire chauffé à 900°C mettent en évidence une légère production de gaz imbrûlés (CO, CH4) en début de combustion, puis les gaz produits ne comportent que du CO2 et de l’eau. Les conditions opératoires d’analyse à température de 900°C permettent de reproduire les conditions de fonctionnement classique d’une chaudière. Les spectres n’ont pas permis d’identifier des produits de type HCl, NOx, SOx ou H2S, ce qui laisse présager une possible valorisation directe des grignons en chaudière en fonctionnement en continu. Cela devra toutefois être confirmé par les nouvelles analyses physico-chimiques prévues sur les grignons et par la composition des cendres.
- - Les spectres infrarouge obtenus sur les gaz analysés en sortie d’un réacteur tubulaire chauffé à 500°C mettent en évidence une plus grande émission de gaz imbrûlés (CO, CH4, acide acétique) ainsi qu’une moindre production de CO2 en comparaison des conditions de température de 900°C. Le temps de combustion s’avère plus long, ce qui montre une dégradation thermique des grignons relativement lente à 500°C. Les conditions opératoires d’analyse à température de 500°C permettent de reproduire les conditions de combustion en chaudière automatique en mode de veille. Les teneurs en gaz imbrûlés sont le double de celles obtenues au cours de la combustion des noyaux dans les mêmes conditions opératoires. De plus, la présence d’ammoniac a été identifiée, ce qui peut conduire à la production de NOx lors de la combustion en chaudière. Par conséquent, les grignons présentent à 500°C des caractéristiques de combustion difficiles.
- Concernant les noyaux d’olive :
- - La perte de masse observée sur les noyaux est proche de celle relevée sur les grignons avec toutefois la présence de trois paliers différents de températures. Entre 250 et 290°C, 20 à 25 % de la masse sèche initiale est dégradée. La perte de masse est ensuite plus lente avant de s’accélérer entre 320 et 360°C. Entre 350 et 600°C, la perte de masse est assez lente puis devient quasi-nulle au-dessus de 700°C.
- - La teneur en matières volatiles est de l’ordre de 75 à 80 %.
- - La combustion des noyaux dans des appareils conçus pour une combustion de bois ne semble pas poser de problème particulier au niveau du comportement thermique. La combustion des noyaux ne devrait pas nécessiter de modification sur les appareils classiques de combustion mis au point pour du granulé de bois ou de la plaquette forestière.
- - Les spectres infrarouge obtenus sur les gaz analysés en sortie d’un réacteur tubulaire chauffé à 900°C mettent en évidence une légère production de gaz imbrûlés (CO, CH4) en début de combustion, puis les gaz produits ne comportent que du CO2 et de l’eau. Les spectres n’ont pas permis d’identifier des produits de type HCl, NOx, SOx ou H2S. Le réglage du débit d’entrée d’oxygène sur la chaudière en fonctionnement en continu permettra assurément de limiter les émissions d’imbrûlés.
- - Les spectres infrarouge obtenus sur les gaz analysés en sortie d’un réacteur tubulaire chauffé à 500°C mettent en évidence une plus grande émission de gaz imbrûlés (CO, CH4) ainsi qu’une moindre production de CO2 en comparaison des conditions de température de 900°C. Le temps de combustion s’avère plus long, ce qui montre une dégradation thermique des noyaux plus lente à 500°C. En comparaison d’un spectre type de bois d’essence douglas, les teneurs en gaz imbrûlés sont moins élevées. La combustion des noyaux a un comportement plus simple que les autres combustibles (bois, grignons et mélange de pulpe et de peau).
- Concernant le mélange de pulpe et de peau d’olive :
- - Les spectres infrarouge obtenus sur les gaz analysés en sortie d’un réacteur tubulaire chauffé à 900°C mettent en évidence une légère production de gaz imbrûlés (CO, CH4) en début de combustion, puis les gaz produits ne comportent que du CO2 et de l’eau. Les spectres n’ont pas permis d’identifier des produits de type HCl, NOx, SOx ou H2S, ce qui laisse présager une possible valorisation directe de la pulpe et de la peau en chaudière en fonctionnement en continu.
- - Les spectres infrarouge obtenus sur les gaz analysés en sortie d’un réacteur tubulaire chauffé à 500°C mettent en évidence une plus grande émission de gaz imbrûlés (CO, CH4) ainsi qu’une moindre production de CO2 en comparaison des conditions de température de 900°C. Le temps de combustion s’avère plus long, ce qui montre une dégradation thermique du mélange de pulpe et de peau relativement lente à 500°C. Les teneurs en gaz imbrûlés sont plus importantes qu’au cours de la combustion des noyaux dans les mêmes conditions opératoires. En comparaison d’un spectre type de bois d’essence douglas, la combustion du mélange de pulpe et de peau a un comportement semblable à celle du douglas, ce qui montre que ce mélange ne devrait pas poser de problème de combustion.
- Conclusion :
- - Les teneurs en matières volatiles et l’évolution de la dégradation thermique sont semblables à celles du bois, ce qui permet de valider, sur l’aspect de la dégradation thermique, la possibilité de brûler les grignons issus de presses et les noyaux d’olive dans des appareils déjà utilisés pour la combustion du bois.
- - Les analyses en réacteur tubulaire viennent confirmer la combustion relativement simple des noyaux d’olive qui, à priori, ne présenteront pas de problème particulier dans les chaudières, en valorisation directe. La seule difficulté possible réside dans le temps de combustion : les noyaux pourraient demander une période de combustion plus longue, ce qui sera sans doute compensé par la densité apparente élevée. Une validation en chaudière est toutefois indispensable.
- - Par contre, les analyses en réacteur tubulaire ont mis en évidence la combustion plus difficile des grignons, ce qui vient confirmer les réserves émises suite à leur caractérisation physico-chimique. Si l’émission de HCl semble faible, il est par contre probable que les teneurs en NOx ne soient pas négligeables. Même à très faible teneur, HCl peut conduire à la production de mâchefers en présence notamment de potassium dans les cendres, ce qui mène à une corrosion des chaudières. D’ores et déjà, un mélange de bois et de grignons sous forme de granulés mixtes avec une teneur massique en grignons de l’ordre de 30 % semble envisageable pour assurer une bonne combustion. Les futures analyses physico-chimiques permettront de confirmer les meilleurs taux de mélange à mettre en œuvre.
