Etude de la réactivité des mélanges de biomasse (cendre et matrice carbonée)

par Emile Atallah

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Alexander Pisch, Capucine Dupont et de Francoise Defoort.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec CEA Grenoble / LITEN (laboratoire) depuis le 03-06-2019 .


  • Résumé

    La thèse fait partie du projet Carnot OPALHE. Le programme scientifique est le suivant. Le contexte de la thèse est la valorisation thermochimique des déchets de biomasses inutilisées (résidus agricoles ou forestiers) dans des vecteurs énergétiques (combustion, biocarburants de deuxième génération) par la voie du mélange de biomasse. La biomasse, outre le C, H et O qui sont ses éléments chimiques majeurs et constitue la matrice carbonée, possède des éléments chimiques mineurs Ca K Si Mg P Cl S N etc communément appelé les « cendres ». Ces dernières posent des problèmes aux niveaux des procédés, liés à la présence de phases liquides souhaitables ou non selon les procédés. Par exemple une phase liquide est absolument nécessaire pour les réacteurs à flux entraîné (RFE) fonctionnant à haute température (1300-1500 ° C) car elle permet de contrôler la température de la paroi. Inversement, cette phase liquide est fortement indésirable dans un réacteur à lit fluidisé (LF) qui fonctionne à température moyenne (800-900 ° C) car elle induit une agglomération du lit. L'objectif est de formuler des mélanges de déchets de biomasses inutilisées qui soit basé sur les équilibres thermodynamiques entre phases solides et liquides pour adapter la proportion de liquide aux besoins des procédés. Des solutions coûteuses sont déjà utilisées en ajoutant des composés qui ajustent la composition de la biomasse à la fraction liquide souhaitée (solidus pour les réacteurs à lit fluidisé LF ou liquidus pour les réacteurs à flux entrainé RFE). Le mélange de biomasses, solution moins couteuse, est une solution rencontrée aussi dans la littérature pour abaisser la quantité de liquide dans l'application de LF en mélangeant à l'aveugle un bon (comme le bois) avec une mauvaise ressource (comme la paille) de la biomasse. Dans tous les cas (ajout de composés ou bien mélange de biomasse), le verrou principal à lever dans l'étude des mélanges est d'obtenir une réactivité chimique ce qui n'est jamais étudié dans la littérature. Une dilution des phases existantes des ressources à mélanger ne produira pas l'effet escompté. Par ailleurs il faut vérifier que la matrice carbonée du mélange de biomasses possède une cinétique de gazéification/combustion compatible avec les procédés. A notre connaissance, seuls les projets Carnot 2017 PALISSANDRE et européen HEAT-to-FUEL ont abordé le mélange des biomasses en vérifiant si la réaction chimique a bien eu lieu au niveau des cendres en conditions favorables à l'équilibre thermodynamique. Le cœur de la thèse est donc d'étudier la réactivité chimique des mélanges de biomasse aussi bien du point de vue des cendres en relation avec le procédé que du point de vue de la matrice carbonée. La thèse portera sur l'étude de la présence de phase liquide dans les cendres des biomasses et leurs mélanges par fusion/trempe puis caractérisation MEB-EDX et DRX, la cinétique de réaction chimique des cendres en diffraction des rayons X à haute température, la cinétique de combustion/gazéification de la matrice carbonée des biomasses et de leurs mélanges en thermo-balance par analyse thermogravimétrique ATG et l'étude de la taille de grain des biomasses sur la réactivité chimique (cendres, matrice carbonée). Les résultats obtenus sur les cendres pourront donner lieu à un modèle de réactivité chimique et ceux sur la matrice carbonée pourront ensuite être intégrés dans les modèles cinétiques déjà développés au laboratoire, ce qui permettra d'étendre la validité de ces derniers aux mélanges de biomasses. Le programme joint sera mis en œuvre en parallèle de l'étude bibliographique.

  • Titre traduit

    Study of biomass mixture reactivity (ash and carbon matrix)


  • Résumé

    The context is the thermochemical valorization of unused biomass waste (agricultural or forestry residues) in energy vectors (combustion, gasification for 2G biofuels). These biomasses have properties (composition and ash content) inducing liquid phases that may or may not be desirable depending on the processes. The objective is to formulate biomass mixtures based on the thermodynamic equilibrium between solid and liquid phases to adapt the proportion of liquid to the needs of the processes. The main lock to check is to obtain a chemical reactivity. Dilution of the existing phases of the resources to be blended will not produce the desired effect. Furthermore, it must be verified that the carbon matrix of the biomass mixture has a gasification/combustion kinetics compatible with the processes. The thesis will focus on the study of the presence of the liquid phase in the ashes of biomasses and their mixtures by melting / quenching then characterization SEM-EDX and XRD, the kinetics of chemical reaction of ashes by X-ray diffraction at high temperature, the kinetics of combustion/gasification of the carbon matrix of biomasses and their mixtures in thermobalance by thermogravimetric analysis TGA and study of the grain size of biomasses on chemical reactivity (ash, carbon matrix)The results obtained on the ashes may give rise to a chemical reactivity model and those on the carbon matrix can then be integrated into the kinetic models already developed in the laboratory, which will extend the validity of the latter to biomass mixtures.