Nouvelles stratégies catalytiques pour la gazéification de la biomasse : influence de métaux imprégnés sur les mécanismes de pyrolyse / François-Xavier Collard ; sous la direction d'Ammar Bensakhria et Joël Blin

Résumé / Abstract : Le développement des voies de valorisation de la biomasse par gazéification, très prometteuses pour la production de biocarburants, est ralenti à cause de la concentration trop élevée de goudrons dans le gaz produit par ce procédé. Des travaux récents ont montré que les métaux, lorsqu’ils sont imprégnés dans la biomasse, limitent la génération des goudrons primaires, produits lors de l’étape de pyrolyse qui précède les réactions d’oxydation. L’objectif principal de ce travail est d’étudier l’influence des métaux imprégnés sur les mécanismes de pyrolyse et sur les rendements en goudrons de cette étape. La réactivité du char formé, qui est dopé en métal, par rapport aux réactions d’oxydation a également été évaluée. L’étude de l’influence du fer et du nickel sur la pyrolyse des principaux polymères qui constituent la biomasse (cellulose, xylane, lignine) et d’échantillons de biomasses a permis de mettre en évidence que les métaux favorisent principalement les mécanismes de formation du char, ce qui inhibe les réactions de dépolymérisation et de fragmentation, responsables de la production des goudrons. Imprégné dans les phases amorphes des polysaccharides, le nickel catalyse aussi des réactions de dépolymérisation. Ce résultat explique que la réduction des rendements en goudrons soit plus forte avec le fer qu’avec le nickel. Par contre, le nickel est plus efficace pour limiter la production des molécules contenant un noyau benzénique et pour catalyser des réactions secondaires des matières volatiles, comme le reformage à la vapeur. Lors des expériences de gazéification de char dopé en fer, des problèmes de désactivation du catalyseur métallique, qui conduisent à un ralentissement de la cinétique de la réaction d’oxydation, sont observés. Au contraire, l’activité catalytique du nickel est stable et rend possible les réactions d’oxydation du char au CO2 à 600 °C et à la vapeur d’eau à 500 °C. Ces résultats indiquent que l’approche, qui consiste à imprégner des métaux dans la biomasse, permet d’envisager la mise en oeuvre de procédés de gazéification à basse température ; ce qui limiterait le problème des goudrons et permettrait d’améliorer l’efficacité énergétique des procédés.

Résumé / Abstract : The very promising development of the use of biomass for biofuel production by gasification is slowed down owing to too high tar concentration in the gas produced by this process. Recent works showed that, when impregnated in biomass, metals display catalytic activity that results in a significant decrease in the production of the primary tars, during the pyrolysis step, which precedes the oxidation reactions. The main aim of this work was to assess the effect of impregnated metals on pyrolysis mechanisms and on the tar yield of this step. The reactivity of the metal-doped char produced, during the oxidation reactions, was also evaluated. The study of the influence of iron and nickel on the pyrolysis conversion of the main polymers that form biomass (i.e. cellulose, xylan and lignin) and of biomass samples showed that impregnated metals mainly catalyzed the mechanisms of char formation. This phenomenon inhibited the depolymerization and fragmentation reactions, which are responsible for most tar formation. When impregnated in the amorphous phase of the polysaccharides, nickel also promoted some depolymerization reactions. This result explains the bigger decrease in tar production obtained with iron than with nickel. However, nickel was more efficient in limiting the production of molecules containing a benzene ring and to catalyze the secondary reactions of volatile compounds. During gasification tests, the conversion of the iron-doped char revealed problems of deactivation of the metal catalyst, which led to a decrease in the reaction rate of the oxidation reaction. On the contrary, the catalytic activity of nickel was stable and made possible the oxidation reactions of char at 600 °C with CO2 and at 500 °C with steam. These findings show that the approach which consists in impregnating biomass with metals, allows considering the implementation of gasification processes at low temperature, which could limit the tar problem and could improve the energy conversion efficiency of these processes.