Traitement physique et catalytique des vapeurs de pyrolyse flash : vers la double valorisation matière-énergie

Physical and catalytic treatment of flash pyrolysis vapors : a step forward in the material and energic valorisation of bio-oils

• Auteur / Autrice : Miguel Ruiz Bailon
• Direction : Laurent Van de Steene
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 12/07/2018
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : BioWooEB, Unité de Recherche , Cirad Institut de recherche à Montpellier
• Jury : Président / Présidente : Yves Schuurman
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Van de Steene, Yves Schuurman, Jesus Arauzo, Guillain Mauviel, François Broust, Claudia Cammarano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jesus Arauzo, Guillain Mauviel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomasse

Catalyse

Pyrolyse

Mots clés libres

Pyrolyse Flash

Catalyse

Filtration à haute temperature

Biocombustible

Caracterisation polymeres

Biomasse

Flash pysolysis

Catalysis

Hot vapour filtration

Biofuel

Polymer caracterisation

Biomass

Résumé

La pyrolyse flash (PF) en un procédé thermochimique qui permet de convertir la biomasse en bio-huiles. Ces dernières sont des vecteurs énergétiques-matériaux avec un haut potentiel pour la substitution du pétrole. Néanmoins, l’acidité et la forte teneur en particules de charbon et en oxygène des bio-huiles issues d’un procédé de PF conventionnel limitent leurs utilisations à l’échelle industrielle.L’objectif principal de ce travail était d’améliorer la qualité des bio-huiles par le biais d’une unité de post-traitement ex-situ des vapeurs de PF couplant un filtre à particules à haute température (FHT) et un réacteur catalytique.Dans un premier temps, une campagne d’essais dédiée au FHT a permis de valider son efficacité et de mieux comprendre : (i) l’impact de trois paramètres (température de filtration, épaisseur de la couche de charbon déposée et teneur en matières inorganiques de la biomasse), sur la nature et l’avancement des réactions secondaires et, (ii) ses limites opérationnelles vis-à-vis de cycles de régénération.Dans un deuxième temps, différents matériaux catalytiques ont été testés sous forme d’extrudés. La zéolite microporeuse HMFI-90 s’illustre par une forte activité sur les molécules légères oxygénées (acides, aldéhydes, cétones). Une étude paramétrique a permis d’identifier un bon compromis entre gain de PCI et pertes de rendement, puis de tester sa stabilité.Finalement, nous avons testé une nouvelle gamme de catalyseur par imprégnation de nanoparticules de fer sur un support d’alumine gamma de porosité bimodale afin d’améliorer la performance du traitement catalytique vis-à-vis de la composition complexe (multicomposante et multi phasique) des vapeurs de PF. A titre exploratoire, ce deux catalyseur ont été associés en cascade et ouvrent des perspectives prometteuses pour améliorer la performance du traitement catalytique de vapeurs de PF.

Flash pyrolysis (FP) is an efficient thermochemical route to convert biomass in bio-oils. Bio-oils are energetic and material renewable vectors with a high potential to replace fossil fuel. Nevertheless, bio-oils are high oxygenated and acidic liquids with a high content of solid particles. These particular physico-chemical properties are the main drawbacks that hinder the development of industrials bio-oil applications. The main goal of this work has been to upgrade the quality of flash pyrolysis oils. To reach this goal, we developed an ex-situ post-treatment unit composed of: a hot has filter unit (HGF) and a fixed bed catalytic reactor.Firstly, several experimental campaigns, conducted at laboratory and pilot scale, shown the impact of three HGF parameters (HGF temperature, HGF char thickness, and inorganic content of raw biomass) in the nature and extension of secondary reactions inside the HGF unit. In addition, limitations concerning to long-term process operation of HGF units were identified. Secondly, the catalytic activity of several materials in the form of pellets was investigated. Micro porous zeolite HMFI-90 showed a high activity on the conversion of light oxygenated molecules such as: acids, aldehydes and ketones. A parametric study allowed us to identify a compromise between the rise in the energy content of catalytic bio-oils and the loss in the organic yield. Lastly, taking into consideration the complex (multicomponent and multiphase) composition of FP vapors we explored a new cascade catalytic strategy. For that, we first tested a new catalyst formulation based on iron nanoparticles supported on hierarchical porous gamma-alumina pellets (Fe/bi-Al2O3). Then, we used both catalyst (zeolite HMFI90 and Fe/bi-Al2O3) in a cascade configuration. Our results suggested that this new cascade strategy could enhance the overall catalyst treatment performance.