Extension et mise à niveau d'un pilote de production de carburants alternatifs à partir de déchets plastiques

Up-scaling of a pilot plant for the production of alternative fuels from waste plastics

• Auteur / Autrice : Shawki Mazloum
• Direction : Khaled Loubar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, Thermique, Combustion
• Date : Soutenance le 22/10/2021
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Valorisation Energie-matière des Résidus et Traitement des Emissions - Département Systèmes Energétiques et Environnement - Génie des Procédés Environnement – Agroalimentaire (GEPEA) (Saint-Nazaire)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Montillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Khaled Loubar, Frédéric Marias, Laurent Van de Steene, Karim Allaf, Sary Awad
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Marias, Laurent Van de Steene

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Transfert de chaleur

Matières plastiques -- Déchets

Pyrolyse

Mots clés libres

Pyrolyse

Déchets plastiques

Transfert de chaleur

Méthode des éléments finis

Modélisation mécanistique

Pyrolysis

Plastic wastes

Heat transfer

Finite element method

Mechanistic modelling

Résumé

De nos jours, après l'épuisement des réserves mondiaux d'énergie fossile, l’implémentation des énergies renouvelables est devenue un enjeu crucial. Alors que l'humanité est confrontée à l'énorme croissance des déchets plastiques accumulés chaque année, en raison de la limitation des décharges et des processus de recyclage. Par conséquent, une solution pour l'accumulation de déchets plastiques est le processus de pyrolyse, qui convertit les déchets plastiques en une large gamme de carburants et de produits chimiques. La pyrolyse consiste en une décomposition thermique de polymères à longues chaînes en l'absence d'oxygène. Différents paramètres affectent ce processus comme la température, la vitesse de chauffage, la matière première, le catalyseur, le type de réacteur et la pression. Cependant, de nombreuses études expérimentales sont réalisées à ce jour concernant l'influence de ces paramètres sur le processus de pyrolyse et ses sous-produits. D'autre part, la modélisation et la simulation du processus de pyrolyse plastique, à l'échelle du laboratoire ou à l'échelle industrielle, sont rarement trouvées dans la littérature. Ainsi, l'objectif de ce projet de thèse est de modéliser et de mettre à niveau un réacteur de pyrolyse continue réalisable à l'échelle industrielle, chauffé par des gaz d'échappement chauds provenant d'un moteur diesel de 8 kW, pour convertir les déchets plastiques en carburants. Mais avant de franchir cette étape, le procédé de pyrolyse plastique pour le PP et le HDPE est modélisé et validé, à l'échelle milli-particulaire, dans un analyseur thermogravimétrique couplé à un calorimètre différentiel à balayage (TGA- DSC), puis dans un réacteur semi-batch à l'échelle du laboratoire en utilisant la méthode des éléments finis et le logiciel COMSOL-Multiphysics. Finalement, les modèles mécanistiques élaborés et validés à l’échelle de milliparticule et du réacteur semi-continu sont utilisés pour concevoir un réacteur continu et étudier son comportement numériquement.

Nowadays, after the depletion of fossil energy reserves worldwide, the pursue for renewable energy became a crucial issue and subject for many researchers and academic institutions. Whereas, humanity is facing serious dilemma: the enormous growth of accumulated plastic wastes every year,due to the limitation of landfills and recycling processes. Therefore, a solution for plastic wastes accumulation and an alternative source of energy is pyrolysis process, which converts plastic wastes into a wide range of fuels and chemicals. Plastic pyrolysis consists of a thermal decomposition of large chain polymers in absence of oxygen. Different parameters affect this process like; Temperature,heating rate, feedstock material, catalyst, type of the reactor and pressure. However, many experimental studies are made so far regarding the influence of these parameters on the pyrolysis process and its by-products. On the other hand,modelling and simulating plastic pyrolysis process, at a lab scale or industrial scale, are rarely found in literature. Thus, the aim of this thesis is to model and upgrade a continuous pyrolysis reactor feasible at the industrial scale, heated by hot exhaust gases coming from 8 kW diesel engine, to convert plastic waste into heat and transportation fuels. But before crossing this step, plastic pyrolysis process for PP and HDPE is modelled and validated, as milli-particle scale, in a thermogravimetric analyzer coupled with differential scanning calorimeter (TGA-DSC), then in a laboratory scale semi-batch reactor (1 litter capacity) using Finite Element method and COMSOL-Multiphysics software. Finally, the calibrated models are used to conceive a continuous reactor and to study its behavior numerically.