Torréfaction de biomasse lignocellulosique : effet catalytique du potassium sur les espèces condensables

par Lucélia Alves de Macedo

Thèse de doctorat en Sciences du bois et des fibres

Sous la direction de Mathieu Pétrissans et de Patrick Rousset.

Le président du jury était Carlos Vaca-Garcia.

Le jury était composé de Patricia Arlabosse, Jean-Michel Commandré, Sylvie Valin.

Les rapporteurs étaient Carlos Vaca-Garcia, Patricia Arlabosse.


  • Résumé

    La valorisation chimique des espèces condensables issues de la torréfaction de biomasse ainsi que l'utilisation d'un gaz vecteur à faible coût, tels que les gaz de combustion, peuvent constituer des étapes importantes pour le développement du procédé de torréfaction à l'échelle industrielle. Les rendements des espèces condensables varient selon la composition de la biomasse, notamment par la présence de certains minéraux, et varient aussi en fonction de conditions opératoires telles que le gaz vecteur utilisé. Afin d'étudier l'effet du potassium sur la perte de masse de la biomasse et sur le rendement des espèces condensables, trois biomasses déminéralisées ont été imprégnées avec différentes concentrations de K2CO3 puis torréfiées à 275°C jusqu'à l'obtention d'une perte de masse cible (25 ou 30%). La torréfaction a été effectuée à la fois dans un instrument d'analyse thermogravimétrique (ATG) et dans un réacteur à l'échelle laboratoire sous azote et en présence de gaz de combustion. Des analyses ATG des biopolymères (cellulose, xylane et lignine) bruts et imprégnés avec du K ont été réalisées pour faciliter l'interprétation des résultats. La perte de masse augmente lorsque la teneur en K des biomasses augmente et, par conséquent, des temps de séjour plus courts sont suffisants pour obtenir la perte de masse cible. Cela semble être principalement le résultat du décalage de la décomposition de la cellulose vers des températures plus faibles. Les vitesses de réaction maximales sont bien plus élevées en présence de gaz de combustion car la biomasse subit des réactions d'oxydation en plus de la décomposition classique. Quelle que soit l'atmosphère, K inhibe la production d’anhydrosaccharides (levoglucosan, LAC et DGP) et de furanes (à l'exception du 2-furanmethanol). En parallèle, une augmentation substantielle du rendement en acétol est constatée. La rupture du cycle pyranose de la cellulose qui entraine la formation des produits légers est favorisée en présence de K au détriment de la dépolymérisation qui produit du levoglucosan. Le K favorise la production de 2-furanmethanol, syringol et guaiacol surtout en présence de gaz de combustion. En revanche, la production de vanilline et de syringaldéhyde est défavorisée en présence de K tandis qu'elle est fortement favorisée en présence de gaz de combustion quand la biomasse est libre de K. L'effet du K sur les rendements des espèces condensables lors de la torréfaction de la biomasse est démontré quelle que soit la nature de l'atmosphère. De plus, dans les conditions testées, l'oxygène présent dans l'atmosphère intensifie, dans une mesure plus ou moins grande, la tendance imposée par le K

  • Titre traduit

    Torrefaction of lignocellulosic biomass : catalytic effect of potassium on the condensable species


  • Résumé

    The chemical valorization of condensable species from biomass torrefaction as well as the use of a low-cost carrier gas such as flue gas may be important steps for industrial-scale implementation of torrefaction. The condensable species yield varies according to the biomass composition, in particular by the presence of certain minerals, and also changes according to the operating conditions such as the gas atmosphere. In this context, to investigate the effect of potassium on mass loss of biomass during torrefaction and in the yield of condensable species, three demineralized biomasses were impregnated with different concentrations of K2CO3 and then torrefied at 275°C up to a target mass loss (25 or 30%). Torrefaction was carried out in both a thermogravimetric analysis (TGA) instrument and a laboratory fixed-bed reactor under nitrogen and flue gas atmospheres. TGA of raw and K-impregnated biopolymers (cellulose, xylan and lignin) were performed to facilitate interpretation of the results. When K content increased in the biomass, shorter torrefaction times were sufficient to obtain the targeted mass loss. This behavior seems to be a result of shifting the cellulose decomposition to lower temperatures. The maximum reaction rates are much higher under flue gas because the biomass undergoes oxidation reactions in addition to the ordinary decomposition. Regardless of the gas atmosphere employed, K inhibits the production of anhydrosugars (levoglucosan, LAC and DGP) and furans (except 2-furanmethanol). This suppression is accompanied by a substantial increase in acetol yield. The cleavage of pyranose rings in cellulose which results in the formation of low molecular weight compounds is favored in the presence of K to the detriment of the depolymerization which delivers levoglucosan. K promotes the production of 2- furanmethanol, syringol and guaiacol especially under flue gas atmosphere. However, the yields of vanillin and syringaldehyde decreased in the presence of K whereas they are strongly favored under flue gas atmosphere when the biomass does not contain K. The effect of K on the yields of condensable species from biomass torrefaction is demonstrated whatever the gas atmosphere. Moreover, under the conditions tested, the oxygen present in the atmosphere intensifies, to a greater or lesser extent, the tendency imposed by the K


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