Environmental and economic consequences of the use of fossil fuels instigated the promotion of renewable energy. At present, biomass remains one of the most competitive renewable form of energy. Underfeed stoker is one of the simplest thermal processing equipment for biomass; however, research on this area of study has been very limited. The objectives of the research work were 1) to investigate deficiencies in model data, 2) to measure the combustion characteristics of wood chips of different sizes and moisture content using a batch type packed bed reactor under various air to fuel ratio. 3) to investigate fuel substitution by solid biomass using a case study developed for the University of Portsmouth Asia Link Programme, 4) to compare the performance of an overfeed and underfeed combustion system burning biomass in terms of emissions, 5) to gather experimental data using thermogravometric analysis for the validation of a FG-Biomass pyrolysis sub-model, 6) to construct a model which can predict burnout rates and hence combustion rate in a packed bed of wood chips in an underfeed stoker and to perform model validation using the data gathered from the experiments conducted by Santos (2002).

Lorsque le bois est utilisé en extérieur avec des expositions répétées ou permanentes aux humidifications, les risques d’altération par des agents de dégradations biologiques au cours du temps sont élevés. Par conséquent, il est indispensable de recourir à des systèmes de protection afin de garantir une durée de vie optimale. Les produits traditionnels utilisés pendant des décennies et reconnus comme étant les plus efficaces font actuellement l’objet de fortes restrictions en raison de leur toxicité, entraînant leur disparition progressive du marché européen. Le projet FUI TIMBIRDE a eu pour objectif de développer des formulations permettant de greffer chimiquement des polymères sur les hydroxyles du bois afin de réduire son hygroscopie et limiter le relargage du traitement dans l’environnement. De plus, ces traitements ont pour but de diminuer la porosité du bois en la remplissant par la matrice polymère. Pour ce faire, les fonctions chimiques capables de réagir avec les hydroxyles du bois ont été identifiées en utilisant la cellulose comme composé modèle. Ensuite, des polymères hydrophobes ont été fonctionnalisés par ces fonctions d’accroche en vue de leur greffage sur les groupements hydroxyles du bois par la technique du « graft to ». Dans le cadre de cette étude, les formulations retenues ont été appliquées en profondeur dans le bois par imprégnation en autoclave sous vide/pression. Les systèmes imprégnés dans le bois sous forme de latex ont ainsi permis de diminuer la reprise en eau des bois traités (jusqu’à 50%) par rapport au témoin non traité. / When wood is used outdoors with repeated or continuous exposures to moisture, degradation by biotic factors is high. Consequently, resorting to systems of protection is essential to ensure an optimal service life. However, some of the traditional wood preservatives, used for decades for wood protection and regarded as the most effective, are currently subjected to severe restrictions in Europe because of their toxicity. The FUI TIMBIRDE project aimed to develop formulations allowing the grafting of non-biocidal polymers on the natural components of wood to limit water uptake and enhance dimensional stability. The grafting of compounds on wood will limit their potential release into the environment and reduce the wood porosity by filling the wood matrix with polymers. In a first step, identification and optimization of grafting functions was performed on cellulose as model compound of wood. Then, hydrophobic polymers were functionalized with these specific functions in order to graft polymers on wood. In this study, wood specimens were treated with selected formulations by vacuum/pressure impregnation in lab autoclave. Thus, a reduction up to 50% of water uptake was observed for wood treated with polymer latex compared to untreated wood.

Ce travail s’inscrit dans le projet LORVER, soutenu par la Région Grand Est et le FEDER. Il est destiné à créer une filière de production de biomasse végétale non alimentaire par valorisation de sites dégradés et de sous-produits industriels, en Lorraine. Un des procédés de valorisation de la biomasse produite est un procédé thermochimique de pyro-gazéification qui générerait de la chaleur et de l’électricité. Ce procédé, développé par SEA Marconi, se compose de trois réacteurs différents : un tambour tournant, pour la pyrolyse de particules de bois, la chaleur étant amenée par des billes d’acier chauffées ; un réacteur à vis sans fin pour l’oxydation du char qui permet de réchauffer les billes d’acier ; un réacteur de craquage des goudrons. L’objectif de cette thèse est de réaliser des modèles qui puissent permettre d’avoir une prédiction adaptée du comportement du système. Des modèles 3D du type DEM et CFD-DEM ont été conçus pour la modélisation des phénomènes qui interviennent dans le système. Les paramètres du modèle DEM ont été calibrés dans un tambour tournant de laboratoire. Pour le réacteur de pyrolyse, la simulation DEM a permis de prédire de façon satisfaisante la ségrégation pour des mélanges de billes d’acier et de particules non sphériques de bois, et de concevoir un modèle thermique et chimique 1D, sur lequel une étude de sensibilité a été effectuée. Un modèle CFD-DEM a été codé et validé sur un rhéomètre granulaire, permettant la simulation du réacteur d’oxydation partielle du char, qui n’a pas pu être réalisé dans le cadre de cette thèse / This work is part of the LORVER project, funded by Grand Est Région and FEDER. It aims to create a non-food biomass production chain by using and upgrading brownfields and industrial by-products in Lorraine. One possible valorization process of the produced biomass is a thermochemical pyro-gasification process that would generate heat and electricity. This process, developed by SEA Marconi, involves three different reactors: a rotating drum, for the pyrolysis of wood particles, the heat required being brought by hot steel balls; an Auger for partial oxidation of the char that allows heating the steel balls; a reactor for tar cracking. The aim of this thesis is to develop models that can predict the behavior of the system. 3D models based on DEM or CFD - DEM were designed for the modeling of phenomena involved in the system. The DEM model parameters were first calibrated in a rotating drum. The DEM simulation was able to predict in a satisfactory manner segregation between steel balls and non-spherical wood particles; it also helped to design a 1D thermal and chemical model, on which a sensitivity study has been done. A CFD - DEM model has been coded and validated on a granular rheometer allowing the simulation of the char oxidation reactor, even if this simulation was not possible during the PhD

Le but de cette thèse est de conduire l’analyse environnementale et économique de plusieurs filières bois-énergie basée sur des technologies de combustion variées. Les bilans matière et énergie des filières s’appuient sur des modèles de croissance de la forêt, et sur des modèles de combustion basés sur les émissions de poêles et chaudières en conditions réelles. La croissance de la forêt est simulée pour le pin des Landes et le hêtre de Lorraine selon plusieurs itinéraires de gestion sylvicole. Les étapes de récolte, transformation, et transport, ainsi que les données économiques sont basées sur des données de la littérature L’analyse environnementale compare les impacts calculés selon deux méthodes : ReCiPe et CML 2001. Une analyse dynamique de l’impact « Changement Climatique » complète la discussion sur les impacts environnementaux du bois-énergie. Enfin, une perspective plus large est ouverte avec une modélisation de l’usage des terres et des coûts de production de biomasse-énergie à l’échelle globale. Les résultats de l’Analyse de Cycle de Vie montrent l’importance à la fois de la qualité de la combustion (et donc de la technologie) et des étapes de transformation et de transport de la biomasse. Par exemple, les poêles et chaudières à granulés bénéficient de très bons rendements énergétiques mais sont handicapés par l’étape de séchage de la biomasse, qui consomme des énergies fossiles. Ces équipements sont également beaucoup plus onéreux à installer que les poêles et chaudières à bûches. L’analyse dynamique montre que l’intensification des itinéraires forestiers par raccourcissement des cycles de croissance entraîne un impact supplémentaire qui n’est pas tout à fait compensé par l’augmentation de production des plantations / The objective of this thesis is to conduct the environmental and economic analysis of several wood-to-energy production chains based on various wood combustion technologies. The material and energy balances of the production chains are determined with modeling of forest growth and of wood combustion. The wood combustion models use the emission factors from real-scale experimental tests on stoves and boilers. Forest growth is modeled for maritime pine and beech plantations, according to several forest management schemes. The data on the harvest, transformation, and transport steps, as well as the economic data, were taken from the literature. The environmental analysis compares the impacts calculated by two methods: ReCiPe and CML 2001. A dynamic analysis of the “climate change” impact complements the discussion on the environmental impacts of energy wood. Finally, we open a broader perspective with modeling of land use and production costs of bioenergy on a global scale. The results of the Life Cycle Analysis show the importance of both combustion quality (linked to combustion technology), and the transformation and transport steps. For instance, pellet stoves and boilers have excellent efficiencies, but suffer from the consumption of fossil fuels to dry the biomass. These technologies are also much more expensive to buy than log stoves or boilers. The dynamic analysis shows that the intensification of wood production via the shortening of growth cycles leads to higher impacts that are not completely offset by the higher production rate