Valorisation thermochimique de l'endocarpe de noix de coco Acrocomia aculeata : analyse des produits solides et liquides de pyrolyse

Thermochemical valorization of Acrocomia aculeata endocarp : solid and liquid pyrolysis products analysis

• Auteur / Autrice : Shirley Duarte Chavez
• Direction : Patrick Perré, Pin Lu, Dario Alviso
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 22/01/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Universidad nacional de Asunción
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Marcelo Castier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérald Debenest, Giana Almeida, Simone Favaro, Sergio Motoike
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marcelo Castier, Gérald Debenest

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pyrolyse

Biomasse -- Conversion

Noix de coco

Mots clés libres

Endocarpe de noix de coco

Gazéification

Pyrolyse

Combustion

Modèle cinétique

Bio-Huile

Biomasse lignocellulosique

Charbon de bois

Substituts

Coconut endocarp

Surrogates and Gasification

Pyrolysis

Combustion

Kinetic model

Bio-Oil

Lignocellulosic biomass

Char

Résumé

La mise en place d’une industrie biosourcée robuste avec des produits chimiques,des matériaux et des carburants de grande valeur a pour objectif économique defournir l’incitation financière nécessaire pour stimuler son expansion. L’endocarpede noix de coco d’Acrocomia aculeata est un déchet agro-industriel intéressantqui peut être utilisé comme matière première pour la production de ces produitsà haute valeur ajoutée, dans le contexte des bio-raffineries de lignocellulose.En raison de sa faible teneur en humidité et de sa teneur élevée en lignine,l’endocarpe peut être traité via des traitements thermochimiques tels que lapyrolyse et la gazéification. En plus des matières premières, la distributiondes produits dépend aussi des paramètres du procédé. L’étude de la pyrolysede la biomasse ainsi que des caractéristiques de ses produits dans différentesconditions est essentielle afin d’identifier le traitement le plus efficace. Le butde ce travail est d’étudier la pyrolyse de l’endocarpe d’A. Aculeata en tant quematière première pour la production de biocarburants ou de matériaux tels quela bio-huile et le charbon de bois. Afin d’atteindre cet objectif, les modifica-tions des propriétés de la biomasse ont été évaluées avant et après 2 heures depyrolyse isotherme entre 250 et 550 °C. Différentes méthodes analytiques ontété utilisées pour évaluer les altérations du produit: analyse élémentaire, anal-yses de la surface et de la taille des pores, visualisation ESEM et SEM/FEGet détermination de la sorption dynamique à la vapeur. Des mesures de pertede masse anhydre ont été effectuées à l’échelle microscopique pour avoir unaperçu des mécanismes de réaction. Un modèle cinétique basé sur la méth-ode de l’énergie d’activation distribuée a été utilisé pour reproduire la perte demasse observée et pour déterminer les paramètres cinétiques du processus. Lapyrolyse lente et gazéification de l’endocarpe de noix de coco et de ses carbon-isés a été réalisée dans différentes conditions, en évaluant expérimentalement letaux de conversion et les modifications de la porosité et de la surface au coursdu procédé. De la même manière, des études expérimentales et numériquesde combustion de la bio-huile de pyrolyse de l’endocarpe de noix de coco ontété conduites. La pyrolyse a été effectuée sur un endocarpe de noix de cocotorréfié et les bio-huiles recueillies ont été analysées par chromatographie enphase gazeuse (GC)/spectrométrie de masse (MS). Sur la base de l’analyseGC/MS, trois mélanges différents de toluène, d’éthanol et d’acide acétique,représentatifs de la chimie du carburant réel, ont été proposés comme sub-stituts pour mener des études de combustion numérique. Un mécanisme decinétique chimique pour l’oxydation des mélanges toluène/éthanol/acide acé-tique a été développé. Pour ce faire, une combinaison du modèle chimique deHuang et al (2017) pour le toluène et celui de Christensen et al (2016) pour lesréactions éthanol/acide acétique a été proposée. La modélisation cinétique del’oxydation de la bio-huile a été réalisée à l’aide du code REGATH. Le modèlecombiné comprend 180 espèces et 1495 réactions. Afin de valider le modèle pro-posé, les travaux se concentrent sur des études numériques de la combustionde mélanges toluène/éthanol/acide acétique utilisant une auto-inflammationà volume constant 0D ainsi que des configurations de flammes prémélangéesgazeuses 1D à propagation libre. Différentes conditions de fonctionnement desflammes, telles que les rapports d’équivalence, la pression et la température,ont été étudiées. Nos résultats montrent l’intérêt de l’endocarpe de noix decoco et de ses carbonates en tant que combustible solide ou comme matièrepremière pour la bio-huile ou dans un procédé de gazéification.

The development of a robust bio-based industry with high value chemicals, ma-terials and fuels is of major technical and economical interest. In the contextof the so-called lignocellulose bio-refinery, coconut endocarp of Acrocomia ac-uleata is an interesting agro-industrial waste that can be used as feedstock forthe production of these high value-added products. Because of its low-moistureand high lignin contents, it can be processed using thermo-chemical treatments,such as pyrolysis and gasification. However, the product distribution dependson the reactor type, the process parameters as well as the feedstocks. Theevaluation of biomass pyrolysis behavior as well as its products characteristicsunder different conditions is essential, in order to propose the most efficientprocesses. The aim of this work is to investigate the pyrolysis of endocarp ofA. aculeata as potential feedstock to produce biofuel or materials such as bio-oil and charcoal. In order to achieve this goal, alterations of its fundamentalproperties were evaluated before and after 2h of isothermal pyrolysis between250 and 550 °C. Different analytical methods were used to assess the productalterations: elemental analysis, surface area and pore size analyses, ESEM andSEM/FEG visualization and dynamic vapor sorption determination. Anhy-drous weight loss measurements have been performed at the microscale to havean insight into the reaction mechanisms. A kinetic model based on the Dis-tributed Activation Energy Method has been used to reproduce the observedmass loss and to determine the process kinetic parameters. Moreover, the slowpyrolysis/gasification of the coconut endocarp and its chars were carried outunder different conditions, experimentally assessing the conversion rate andthe changes of porosity and surface area during the process. In addition, ex-perimental and numerical combustion studies of pyrolysis bio-oil from coconutendocarp were conducted. Pyrolysis was performed on torrefied coconut en-docarp and the collected bio-oils were analyzed by gas chromatography/massspectrometry. Based on the GC/MS analysis, three different blends of toluene,ethanol and acetic acid representative of the real fuel chemistry were proposedas the surrogates to carry out numerical combustion studies. A chemical kinet-ics mechanism for toluene/ethanol/acetic-acid blends oxidation was developed. This will be done by combining the chemical model of Huang et al (2017) fortoluene, and that of Christensen et al (2016) for ethanol/acetic-acid reactions.The kinetic modeling for bio-oil oxidation was performed using the REGATHcode. The combined model consists of 180 species and 1495 reactions. In orderto validate the proposed model, the work focuses on numerical studies of thecombustion of toluene/ethanol/acetic-acid blends using 0-D constant-volumeauto-ignition as well as 1-D freely-propagating gaseous premixed flame con-figurations. Different flames operating conditions such as equivalence ratios,pressure and temperature were studied. In conclusion, our results provide suf-ficient evidence for long-term application of this feedstock and its chars as asolid fuel or raw material for bio-oil, or in the gasification process.