Essais de production de pellets composés à 100% de miscanthus

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1 Essais de production de pellets composés à 100% de miscanthus Décembre 2012 Document ValBiom: opérateur UCL

2 ValBiom soutient le développement durable et harmonieux des filières de valorisation nonalimentaire de la biomasse: en structurant et diffusant des informations scientifiques, neutres et objectives auprès de différentes audiences privées et publiques; en favorisant/organisant la rencontre entre tous les acteurs des filières existantes, en cours de développement ou potentielles; en apportant un support direct aux porteurs de nouveaux projets et aux acteurs établis; en accompagnant la structuration des nouvelles filières; en répondant aux questions de l administration ou du pouvoir politique et en les sensibilisant aux enjeux des filières; en exerçant le rôle de facilitateur pour les industriels et/ou les consommateurs de certaines filières; en entretenant des relations avec d autres institutions belges ou internationales poursuivant les mêmes objectifs. La valeur ajoutée, tant économique qu environnementale, visée par ValBiom repose essentiellement sur son positionnement indépendant et sur son approche intégrée des filières, de la production à la valorisation non-alimentaire sous forme d énergie («fuel») ou de produits biobasés («fiber»). Date d'édition 02/12/12 Version 2.0 Auteur Gilles Gauthier Comité de relecture 10/12/12 ValBiom produit ses meilleurs efforts pour que les informations contenues dans ce document soient le plus actuelles, complètes et correctes possible. Cependant, ValBiom ne peut en aucun cas être tenu responsable des conséquences qui découleraient de toute utilisation des informations contenues dans ce document et les inexactitudes éventuelles ne peuvent en aucun cas donner lieu à un quelconque engagement de sa responsabilité. 2

3 Table des matières I Contexte et objectif... 5 II Matériel et méthode... 5 II.1. Miscanthus... 5 II.2. Ligne de production... 5 II.2.a Broyeur à marteaux... 6 II.2.b Presse à pellets... 6 II.3. Normes... 7 II.3.a EN II.3.b EN III Résultats... 8 III.1. Essais de granulation... 8 III.1.a Résidu de criblage de miscanthus non broyé, filière de 6x50 mm... 8 III.1.b Résidu de criblage de miscanthus non broyé, filière 6x60 mm... 9 III.1.c Miscanthus ensilage non broyé, filière 6x60 mm... 9 III.1.d Miscanthus ensilage broyé, filière 6x60 mm III.1.e Enseignements des essais de granulation III.2. Analyses des pellets produits IV Conclusions V Bibliographie

4 Table des tableaux Tableau 1: résultats analyses pellets de miscanthus. Source: ValBiom Tableau 2: résultats analyses pellets de miscanthus vs EN 14961/2-6. Source: ValBiom Table des photographies Photographie 1: vue de l installation pilote de CPM. Source: ValBiom... 6 Photographie 2 et photographie 3: vue du résidu de criblage de miscanthus et pellets produits. Source: ValBiom... 8 Photographie 4 et photographie 5: vue du résidu de criblage de miscanthus et pellets produits. Source: ValBiom... 9 Photographie 6 et photographie 7: vue de miscanthus ensilé et pellets produits. Source: ValBiom... 9 Photographie 8 et photographie 9: vue de miscanthus ensilé et pellets produits. Source: ValBiom

5 I Contexte et objectif Les essais de production de pellets réalisés en ,2 n ont pas permis d apporter toutes les réponses quant à la possibilité de produire des pellets composés à 100 % de miscanthus. En effet, la densité et le taux de fines des pellets produits étaient insatisfaisants et tous les paramètres (N, S, etc.) n avaient pu être mesurés. A l heure actuelle, le comportement en granulation du miscanthus est peu connu. Certains affirment même qu il est impossible de granuler du miscanthus pur et qu un mélange avec d autres matières telles que le bois ou l ajout de liant est obligatoire. Suite à ce constat, il a été décidé de conduire des essais de granulation à l aide d une installation de marque de référence: l unité pilote de granulation de la société CPM basée à Amsterdam. Cette société, d origine américaine, est un des leaders mondiaux dans l installation d unités de granulation pour l alimentation animale et l énergie. L objectif de cet essai était donc de déterminer s il était possible de produire des pellets, réalisés exclusivement à l aide de miscanthus, présentant une bonne qualité. Afin d évaluer cette qualité, les pellets produits ont été analysés par le laboratoire SOCOR (accrédité COFRAC). Les résultats d analyses ont ensuite été confrontés aux normes EN 14961/2 et EN 14961/6, normes européennes régissant respectivement les pellets de bois et les agropellets. II Matériel et méthode II.1. Miscanthus Deux échantillons de miscanthus furent testés durant ces essais : Miscanthus ensilé Résidu de criblage de miscanthus Ces deux lots de miscanthus sont issus de la société Promisc. Société wallonne active dans la plantation, la production et la commercialisation de miscanthus. II.2. Ligne de production Les essais précédents et des retours d expérience 3 ont permis d établir que la granulation est un process beaucoup plus complexe et délicat à conduire qu il n y parait au premier abord. En effet, la production de pellets de bonne qualité requiert un certains nombres de conditions: Humidité de la matière première adaptée Granulométrie de la matière première adaptée Réglage de l installation adapté (vitesse d alimentation de la matière, etc.) Ajout éventuel d eau (liquide ou vapeur) Sélection de galets adaptés Sélection d une filière adaptée 1 ValBiom, Olivier Collignon, la valorisation énergétique du miscanthus en circuit court 2 ValBiom, influence des proportions Miscanthus Bois sur les propriétés physiques et mécaniques des pellets produits 3 AgroPellets sprl

6 Ce dernier élément a un rôle capital dans la réussite du process de granulation. Les filières sont notamment caractérisées par la longueur et le diamètre des trous qui la composent. Généralement, ces caractéristiques sont exprimées par le «taux de compaction», correspondant au ratio diamètre trou/longueur trou. Selon CPM, le taux de compaction habituellement utilisé pour des pellets de bois composés de sciure de résineux est de 1/7.5, soit une longueur de trou de 45 mm pour produire des pellets de bois de 6 mm de diamètre. La ligne de production de CPM est composée de: Broyeur à rouleaux (1) Broyeur à marteaux (2) Presse à pellets (3) Refroidisseur (4) Tamisage (4) Tous les équipements ont été utilisés sauf le broyeur à rouleaux. II.2.a Broyeur à marteaux Photographie 1: vue de l installation pilote de CPM. Source: ValBiom Le broyeur à marteaux, d une valeur approximative de , présente les caractéristiques suivantes: Puissance nominale: 22 kw Capacité nominale: 600 kg/h Diamètre des trous des grilles: 6.4 mm II.2.b Presse à pellets La presse à pellets, d une valeur approximative de , présente les caractéristiques suivantes: Puissance nominale: 55 kw Capacité nominale: 780 kg/h 6

7 II.3. Normes (M. Temmerman, 2010) Les résultats d analyses des pellets produits dans le cadre de ces essais ont été confrontés aux normes EN 14961/2 et EN 14961/6, normes européennes régissant respectivement les pellets de bois et les agropellets. La norme En est un document définissant les classes de différents types de Biocombustibles solides, sans hiérarchisation formelle de leur qualité et sans lien avec l utilisation qui pourrait être faite de ces combustibles. Les biocombustibles solides sont classés selon une clé triple : l origine, la forme commerciale et les propriétés physiques, mécanique et chimiques relatives à ces formes commerciales. 4 origines sont définies: biomasse bois, biomasse herbacée, biomasse issue de l industrie du fruit et mélanges intentionnel & non intentionnels. Ces origines sont elles même divisées et subdivisées en groupes caractéristiques de l origine considérées. 12 formes commerciales de biocombustibles solides sont ainsi définies et un tableau général est proposé pour caractériser tout biocombustible qui ne serait pas repris parmi les plus courants. Pour chaque forme commerciale un tableau est dressé. Il reprend les propriétés utiles pour cette forme commerciale et définit des classes associées à des valeurs pour ces propriétés. II.3.a EN La partie 1 de la norme EN 14961, délimite des classes mais ne les associe à aucune utilisation, ni aucune hiérarchisation. La partie 2 de ce document détermine 3 qualités de pellets de bois A1, A2 & B associées à des valeurs limites pour les différentes propriétés définies par la partie 1. Cette norme a été publiée en Belgique en juillet 2011 (NBN EN ). II.3.b EN Comme la partie 2 le fait pour les pellets de bois, la partie 6 de la norme définit les valeurs limites que les pellets de biomasse «hors bois» doivent respecter. Cette norme fixe les valeurs limites pour des pellets de biomasse telles que la paille de froment, la Baldingère faux-roseau (Phalaris arundinacea), le miscanthus ou même des mélanges. Les pellets produits dans le cadre de ces essais ont été comparés aux valeurs limites fixées pour le miscanthus. Cette norme a été publiée en Belgique en mars 2012 (NBN EN ). 7

8 III Résultats Durant cette séance de tests, quatre essais de granulation ont été réalisés: Résidu de criblage de miscanthus non broyé, filière 6x50 mm Résidu de criblage de miscanthus non broyé, filière 6x60 mm Miscanthus ensilage non broyé, filière 6x60 mm Miscanthus ensilage broyé, filière 6x60 mm Tous les essais se sont déroulés sans difficultés engendrant des consommations électriques et des qualités de pellets variables. III.1. Essais de granulation III.1.a Résidu de criblage de miscanthus non broyé, filière de 6x50 mm Ce premier essai était destiné à tester les réglages de la ligne de production, notamment le choix d une filière 6x50 mm. Photographie 2 et photographie 3: vue du résidu de criblage de miscanthus et pellets produits. Source: ValBiom Matière première Le résidu de criblage présentait une humidité de 12.5 % pour une granulométrie 3x3x1 mm. Pelletisation La consommation électrique de la presse était de 50 kwh/t. Les pellets produits présentaient de nombreuses fissures. La qualité des pellets produits ne donnant pas satisfaction, il a été décidé de changer la filière de 6x50 mm au profit d une autre de 6x 60 mm. 8

9 III.1.b Résidu de criblage de miscanthus non broyé, filière 6x60 mm Photographie 4 et photographie 5: vue du résidu de criblage de miscanthus et pellets produits. Source: ValBiom Matière première La matière première utilisée était identique au point précédent. Le résidu de criblage présentait une humidité de 12.5 % pour une granulométrie 3x3x1 mm. Pelletisation Avec ce changement de filière, la consommation électrique de la presse a fortement augmenté pour atteindre 130 kwh/t, soit la valeur la plus élevée de ces essais. Les pellets produits présentaient une qualité bien supérieure à l essai précédent. III.1.c Miscanthus ensilage non broyé, filière 6x60 mm Photographie 6 et photographie 7: vue de miscanthus ensilé et pellets produits. Source: ValBiom Matière première Le miscanthus ensilé présentait une humidité de 14.5 % pour une granulométrie 30x15x10mm. 9

10 Pelletisation La consommation électrique de la presse était de 126 kwh/t, soit la seconde valeur la plus élevée de l ensemble des essais. Ce phénomène était attendu. En effet, la matière grossière entrant dans la filière doit d abord être «broyée» par les galets avant de pouvoir traverser celle-ci, générant des contraintes importantes et donc une consommation électrique supérieure. Les pellets produits présentaient de nombreuses fissures. En effet, certaines particules de miscanthus de taille importante occupaient parfois la totalité de la section des pellets formés. Ce phénomène empêche la bonne cohésion des pellets. Ce lot de pellets présentait la moins belle qualité de la journée d essais. Au vu de la consommation électrique très importante et de la piètre qualité des pellets produits, il semble peu conseillé de granuler directement le miscanthus ensilé sans effectuer un broyage. Cette conclusion est regrettable car elle démontre l obligation d investir dans un broyeur pour la production de pellets de miscanthus. Toutefois, il serait utile de déterminer la granulométrie la plus fine que l on peut atteindre en modifiant les réglages de l ensileuse lors de la récolte, quitte à réduire le débit de chantier. III.1.d Miscanthus ensilage broyé, filière 6x60 mm Photographie 8 et photographie 9: vue de miscanthus ensilé et pellets produits. Source: ValBiom Matière première La matière était identique au point précédent. Le miscanthus ensilé présentait une humidité de 14.5 % pour une granulométrie 30x15x10mm. Broyage Le broyage s est déroulé sans difficulté. La consommation électrique fut de 42 kwh/t. Pelletisation La consommation électrique de la presse était de 102 kwh/t. Les pellets produits présentent une très belle qualité. Il s agit des plus beaux pellets produits durant la journée d essais. 10

11 III.1.e Enseignements des essais de granulation Suite à ces essais et avant d aborder les résultats d analyse des pellets produits, il s avère que le miscanthus: peut être pelletisé sans ajout de liant ou mélange de matières ne nécessite aucun séchage pour être pelletisé requiert un broyage pour obtenir une qualité de pellets et une consommation électrique acceptables engendre une consommation électrique importante lors de la pelletisation par rapport au bois Deux éléments doivent faire l objet d un commentaire complémentaire. Taux d humidité Selon CPM, le taux d humidité optimum pour pelletiser du bois est de 10 à 12 %. Or, durant ces essais, l humidité du miscanthus était comprise entre 12,5 et 14,5 %. Cette humidité plus importante ne semble pas avoir eu de conséquences sur la qualité des pellets produits selon CPM. Il est donc probable que l optimum d humidité pour la pelletisation de miscanthus soit supérieur à celui du bois. Il convient donc d être très attentif à ce paramètre lors de la récolte. En effet, si le miscanthus n est pas récolté au moment adéquat, l humidité peut dépasser les 20% ce qui rendra la granulation probablement impossible. Il faudra également veiller à conserver le miscanthus dans un endroit sec. Consommation électrique de la presse à pellets Quatre paramètres principaux vont influencer cette consommation électrique. D une part, les producteurs de pellets constatent de manière empirique que la consommation électrique augmente avec l augmentation du taux d humidité de la matière première. Ensuite, plus la matière est abrasive (notamment lié au taux de Si), plus la consommation électrique est importante. En outre, plus la granulométrie de la matière est grossière, plus les contraintes exercées dans la presse sont importantes et plus la consommation électrique est importante. Cet élément a été démontré durant ces essais. Lors de la granulation de miscanthus ensilé non broyé, la consommation électrique était de 126 kwh/t pour chuter à 102 kwh/t lors de la granulation de miscanthus ensilé broyé pour des réglages de production identiques. Enfin, plus le taux de compaction est petit, plus la consommation électrique est élevée car la matière subit des contraintes plus importantes pour pouvoir passer dans la filière. Cet élément a également été démontré durant ces essais. Lors de la granulation des résidus de criblage du miscanthus réalisée à l aide d une filière 6x50 mm (taux de compaction= 1/8,3), la consommation électrique était de 50 kwh/t pour atteindre 130 kwh/t en utilisant une filière 6x60 mm (taux de compaction= 1/10). Selon CPM, un équilibre devrait être trouvé entre qualité des pellets produits et consommation électrique plus raisonnable en utilisant une filière présentant un taux de compaction intermédiaire. 11

12 III.2. Analyses des pellets produits Seuls les deux lots de pellets les plus réussis ont été analysés: Pellets de résidu de criblage de miscanthus non broyé, filière 6x60 mm Pellets de miscanthus ensilage broyé, filière 6x60 mm Tous les paramètres repris dans les normes EN et -6 ont été analysés par le laboratoire SOCOR. Les résultats sont repris dans le tableau ci-dessous. EN EN Propriété Unité WP A1 WP A2 WP B Miscanthus MEB MCNB Dimensions mm D06, D08 (+ 1 ) D06, D08, D10 (+ 1) 5,76 5,52 3,15< L <40 & 40<Max 1%<45 3,15< L <40 97,9 98,2 40<Max 1%< Humidité %** < 10 < 10 < 10 < 10 6,3 7,4 Taux de cendres %* <0,7 <1,5 <3,0 < 10 2,7 3,8 Masse volumique apparente kg/m 3* > 600 > 600 > 600 > Durabilité, DU %** > 97,5 > 97,5 > 96,5 > 97,5 97,1 97,8 Pouvoir calorifique inférieur MJ/kg** > 16,5 > 16,5 > 16,0 A mentionner 16,588 16,312 Taux de fines %** < 1,0 < 1,0 0,2 0,4 Soufre %* < 0,03 < 0,03 <0,04 <0,05 0,028 0,0849 Azote %* <0,3 <0,5 <1,0 <0,5 <0,3 <0,3 Chlore %* <0,02 <0,02 <0,03 <0,08 0,0229 0,0384 Arsenic, As mg/kg * < 1 < 1 < 1 < 1 <0,1 0,11 Cadmium, Cd, mg/kg * < 0,5 < 0,5 < 0,5 < 0,5 <0,4 <0,4 Chrome, Cr mg/kg * < 10 < 10 < 10 < 50 2,6 4,5 Cuivre, Cu, mg/kg * < 10 < 10 < 10 < 20 2,1 3,9 Plomb, Pb, mg/kg * < 10 < 10 < 10 < 10 0,95 1,3 Mercure, Hg, mg/kg * < 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,1 <0,05 0,05 Nickel, Ni, mg/kg * < 10 < 10 < 10 < 10 <1,5 <1,5 Zinc, Zn, mg/kg * < 100 < 100 < 100 < Temp Fusion des cendres mg/kg * > > > A mentionner (température de déformation) Tableau 1: résultats analyses pellets de miscanthus. Source: ValBiom Légende: *Sur base anhydre **à la réception WP= wood pellets MEB= miscanthus ensilé broyé MCNB= miscanthus criblé non broyé 12

13 Afin d augmenter la lisibilité des résultats, ceux-ci ont été comparés aux différents critères des normes à l aide d un code de couleur. Propriété Unité MEB MCNB Dimensions mm 5,76 5,52 97,9 98,2 0 0 Humidité %** 6,3 7,4 Taux de cendres %* 2,7 3,8 Masse volumique apparente kg/m 3* Durabilité, DU %** 97,1 97,8 Pouvoir calorifique inférieur MJ/kg** 16,588 16,312 Taux de fines %** 0,2 0,4 Soufre %* 0,028 0,0849 Azote %* <0,3 <0,3 Chlore %* 0,0229 0,0384 Arsenic, As mg/kg * <0,1 0,11 Cadmium, Cd, mg/kg * <0,4 <0,4 Chrome, Cr mg/kg * 2,6 4,5 Cuivre, Cu, mg/kg * 2,1 3,9 Légende Plomb, Pb, mg/kg * 0,95 1,3 Respect WP A1 Mercure, Hg, mg/kg * <0,05 0,05 Respect WP A2 Nickel, Ni, mg/kg * <1,5 <1,5 Respect WP B Zinc, Zn, mg/kg * Respect Miscanthus Temp Fusion des cendres mg/kg * Aucun respect (température de déformation) Valeur informative Tableau 2: résultats analyses pellets de miscanthus vs EN 14961/2-6. Source: ValBiom Les pellets de miscanthus ensilé broyé (MEB) respectent 14 des 17 critères des pellets de bois A1, soit la meilleure qualité. Ce résultat permet de confirmer, une fois de plus, que le miscanthus est un des meilleurs agrocombustibles du marché. Seuls le taux de cendres, la durabilité et le taux de chlore ne respectent pas les limites des WP A1. Ces taux respectent les limites des WP B. Les pellets de miscanthus criblé non broyé (MCNB) respectent 13 des 17 critères des pellets de bois A1. Le pouvoir calorifique inférieur respecte les limites des WP B. Les taux de cendres et de chlore respectent les critères de la norme 14961/6 (miscanthus). Seul le taux de soufre ne respecte aucune norme. Les différences de résultats constatées entre MEB et MCNB peuvent être expliquées par deux facteurs. Premièrement, ces deux lots de miscanthus sont très probablement issus de parcelles différentes présentant donc un précédent cultural différent. Celui-ci peut affecter la composition du miscanthus. Deuxièmement, le criblage du miscanthus engendre probablement une séparation des constituants du miscanthus, la fraction ligneuse de la tige et la moelle, présentant peut-être une composition élémentaire différente. La fraction ligneuse étant plus cassante que la moelle, elle génère probablement des morceaux plus petits que la moelle lors de l ensilage. Ces morceaux de plus petites dimensions sont passés au travers des mailles du crible, engendrant probablement une séparation des constituants du miscanthus. 13

14 IV Conclusions Ces essais ont permis de démontrer qu il était possible de produire des pellets de très bonne qualité, réalisés à l aide de 100% de miscanthus. Afin de qualifier la qualité des pellets produits, ceux-ci ont été analysés et les caractéristiques obtenues ont été comparées aux normes 14961/2-6. De nombreux critères ont respecté les limites fixées pour la première classe (A1) des pellets de bois, démontrant que le miscanthus est bel et bien un des meilleurs agrocombustibles productible en Wallonie. Les pellets produits à l aide du miscanthus ensilé ont présenté des caractéristiques inférieures aux pellets produits à partir du résidu de criblage de miscanthus. Concernant la pelletisation, aucun additif n a dû être ajouté et aucun mélange de matières n a dû être effectué pour obtenir ces bons résultats. Toutefois, il semble impératif de broyer finement le miscanthus avant de le pelletiser. Il apparait également très important de veiller à maintenir, lors de la récolte et du stockage, un taux d humidité le plus faible possible. Cette caractéristique du miscanthus rend cette biomasse particulièrement intéressante en tant que combustible car, contrairement à la production de pellets de bois, elle ne nécessite aucun séchage avant la pelletisation. Même s il s avère possible de produire des pellets de miscanthus de très bonne qualité, il convient de préciser que l usage de ceux-ci est à réserver à un équipement de chauffage polycombustibles. 14

15 V Bibliographie EN :2009, Solid biofuels - Fuel specifications and classes - Part 1: General requirements, CEN, 2009 pren :2010, Solid biofuels - Fuel specifications and classes - Part 2: Wood pellets for nonindustrial use, CEN, 2010 pren :2010, Solid biofuels - Fuel specifications and classes - Part 6: Non-woody pellets for non-industrial use, CEN 2010 Temmerman M, Influence des proportions Miscanthus Bois sur les propriétés physiques & mécaniques des pellets produits, CRA-W,