Évaluation des phénomènes de transport et de la cinétique chimique lors de la pyrolyse rapide de la biomasse
Auteur / Autrice : | Manel Nasfi |
Direction : | Sylvain Salvador, Marion Carrier |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Génie des Procédés et de l'Environnement |
Date : | Soutenance le 17/02/2023 |
Etablissement(s) : | Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (Albi ; 2012-....) - Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE |
Jury : | Président / Présidente : Manuel Garcia Pérez |
Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Salvador, Marion Carrier, Frédérick Ronsse, Sylvie Valin, Patrick Perré, Maria Pilar Ruiz Ramiro | |
Rapporteur / Rapporteuse : Manuel Garcia Pérez, Frédérick Ronsse |
Mots clés
Résumé
La pyrolyse rapide transforme principalement la biomasse solide en bio-huile, un liquide visqueux composé de centaines de composés organiques. Cette bio-huile peut être valorisée comme biocarburant liquide ou utilisée comme source de produits organiques pour l'industrie chimique. La modélisation cinétique, en particulier la détermination des paramètres ''intrinsèques'', joue un rôle essentiel pour optimiser les rendements et la composition des produits de pyrolyse. Ce travail vise à obtenir des ensembles de données expérimentales décrivant la réactivité de la biomasse dans un régime contrôlé par la cinétique chimique. Pour cela, des ensembles de données expérimentales ont été collectés à l'aide d'un micropyrolyseur couplé à un spectromètre de masse (Py-MS), permettant ainsi la détection en ligne des composés volatils libérés lors de la pyrolyse. Les simulations numériques ont été réalisées pour étudier les transferts thermiques au sein du micropyrolyseur, fournissant des informations inaccessibles expérimentalement, telles que le profil thermique de l'échantillon et le flux de chaleur à sa surface, et évaluant l'existence de limitations du transfert de chaleur. Bien que le micropyrolyseur permette d'atteindre des vitesses de chauffe élevées et vise à établir des conditions isothermes, le modèle à éléments finis et l'analyse des nombres sans dimension ont démontré que dans des conditions typiques d'analyses Py-MS, il n'est pas possible de supposer une condition isotherme pendant un temps significatif. Il est donc nécessaire de prendre en compte l'histoire thermique des échantillons lors des études cinétiques. Contrôler la taille et la disposition de l'échantillon dans le creuset permet de minimiser les gradients de température à l'intérieur des particules. De plus, les phénomènes de transport par diffusion moléculaire et advection ont été quantifiés en mesurant la distribution du temps de séjour. Des stratégies de calibration ont été développées pour tenir compte des effets du ''retard thermique'' et du ''retard dans la détection des produits'', garantissant ainsi la collecte de données fiables à partir du Py- MS pour les échantillons pyrolysés ''dans un régime contrôlé par la cinétique chimique''. Ces données corrigées ont été analysées à l'aide d'une méthode isoconversionnelle non linéaire et non discriminante pour interpréter et modéliser la dévolatilisation de la biomasse. Les tendances isoconversionnelles des énergies d’activation, Eα, pour la biomasse et ses composants (holocellulose et lignines) ont montré des variations considérables avec la conversion, confirmant la nature multi-étape du processus de pyrolyse rapide. À partir de cette étude préliminaire, des modèles basés sur la réactivité tels que le modèle d'énergie d'activation constante (CAEM), le modèle d'énergie d'activation variable (VAEM) et le modèle d'énergie d'activation distribuée (DAEM) ont été développés pour simuler la dévolatilisation rapide de la biomasse. Ces modèles ont été comparés aux cinétiques primaires empiriques déterminées à l'aide d'un réacteur constitué de tamis chauffés. L’utilisation de ce réacteur sous vide a permis de contrôler la pyrolyse primaire et de quantifier des produits de réaction d’intérêt tels que le levoglucosane et le cellobiosane au cours du temps.