L'utilisation de sous-produits inexploités de l'industrie agro-alimentaire est une alternative intéressante pour réduire le stress sur la végétation naturelle en Afrique de l’Ouest. Les coques d’anacarde (et leur tourteau), le tourteau de jatropha et le tourteau de karité ont été identifiés comme résidus disponibles et facilement mobilisables issus de la production des noix de cajou, d’huile de jatropha et du beurre de karité.
Ces résidus ne sont pas adaptés à la combustion dans un foyer ouvert comme substitut du bois de chauffe, du fait qu’ils contiennent de fortes teneurs en matières extractibles (baume de cajou/CNSL et huile végétale contenant des alkyl-phénols et des triglycérides respectivement). Ceux-ci, lors de la combustion, sont à l’origine de la formation de produits toxiques en raison d’un comportement thermochimique différent par rapport aux macromolécules solides présentes dans le bois traditionnellement utilisé pour le chauffage.
La pyrolyse flash qui permet de pré-conditionner la biomasse solide en combustibles liquides a été identifiée comme un procédé de conversion thermochimique alternatif et intéressant. La présence des matières extractibles pourrait être bénéfique pour la production de carburants liquides à partir de la biomasse.
Le travail expérimental et fondamental mené durant cette thèse visait à examiner l'influence des extractibles sur le comportement de décomposition thermochimique et sur la composition des produits de pyrolyse issus des coques d’anacarde (et leur tourteaux), et les tourteaux du jatropha et du karité.
L'originalité de cette thèse réside sur l'approche de l'analyse et de la pyrolyse des biomasses dérivées en échantillons avec des teneurs en extractibles différentes de 0% (tourteaux déshuilés) à 100% (extractibles purs).
Les analyses thermogravimétriques (faible vitesse de chauffe) des différentes biomasses ont révélées que les températures de décomposition varient pour les extractibles des coques d’anacarde (CNSL) et des huiles végétales. Le CNSL se décompose principalement entre 250 à 320°C ; des intermédiaires résiduels sont décomposés à environ 480°C. Les huiles végétales sont plus stables à des températures basses, mais se volatilisent dans une plage de température très étroite autour de 400°C. L’analyse thermogravimétrique conduit à l'hypothèse que l'interaction entre la matrice solide et les extractibles ne pourrait pas se produire dans une ampleur significative. Les pics individuels des composés se chevauchent uniquement ce qui conduit aux variations légères des pics de décomposition.
Deux dispositifs complémentaires, ont permis d'étudier l'influence des extractibles sur la décomposition pyrolytique : un réacteur tubulaire à lit fixe (échelle laboratoire) et un réacteur à lit fluidisé (échelle pilote).
Résumé en français initial. Les rendements en charbon et en gaz diminuent tandis que le rendement en liquide augmente.
Il a pu être montré que le CNSL se décompose seulement à environ 50% lors de la pyrolyse rapide et aucune interaction du CNSL avec la matrice solide des coques d’anacarde n’a été identifiée. En revanche, il a été montré que les huiles végétales sont entièrement décomposées lors de la pyrolyse rapide, des triglycérides ne sont pas présents dans les huiles de pyrolyse issues des huiles végétales ou des échantillons de fruits oléagineux. Des interactions entre les triglycérides et la matrice solide, c'est à dire des protéines contenant de l'azote, se produisent ce qui est prouvé par la présence de plusieurs hydrocarbures à chaîne longue azotés.
C’était la première fois que la pyrolyse flash dans un réacteur à lit fluidisé à l’échelle pilote a été réalisée avec les résidus de la production des noix de cajou et de beurre de karité. La pyrolyse flash des tourteaux des coques d’anacarde, de jatropha et de karité (brut et déshuilé) a posé des problèmes opérationnels liés aux propriétés physiques de ces biomasses. Une adaptation des conditions opératoires a permis de mener des expériences pendant plusieurs heures. Cependant, des problèmes d'accumulation du charbon dans le réacteur ont été observés, dû à la densité élevée de la biomasse et l'agglomération des charbons qui a été évidemment favorisée par la présence des extractibles.
Il a été possible de produire des huiles de pyrolyse flash en quantités suffisantes pour la caractérisation ultérieure. Les huiles de pyrolyse flash des tourteaux de coques d’anacarde brut et déshuilé étaient monophasiques mais ont subi une séparation des phases avec le temps. En accord avec la littérature les huiles de pyrolyse issues des tourteaux de jatropha et de karité bruts et déshuilés étaient diphasiques.
Les huiles de pyrolyse obtenues ont été caractérisées quant à leur comportement rhéologique. Les huiles de pyrolyse issues des biomasses non-lignocellulosiques présentent un comportement non-newtonien. En accord avec la littérature, l'augmentation de la température se traduit en diminution de la viscosité. Le méthanol est un bon solvant et un agent d'homogénéisation des huiles de pyrolyse bi-phasiques.
L’instabilité temporelle et thermique des huiles de pyrolyse est communément connue. Comme le méthanol est un produit principalement issu des combustibles fossiles, il n'est pas facilement disponible en Afrique de l'Ouest ce qui conduit à la nécessité de stabiliser les huiles de pyrolyse avec d'autres additifs efficaces. L'huile de jatropha, le biodiesel de jatropha et le CNSL ont été utilisés en tant que tel pour former des émulsions avec des huiles de pyrolyse. Cependant, malgré des efforts nombreux, il n'a pas été possible d'obtenir des émulsions stables.
La pyrolyse flash des biomasses riches en extractibles dans le contexte ouest-africain révèle de nombreux points de départ pour la poursuite des travaux de recherche fondamentale :
Résumé en français • Concernant la composition macromoléculaire des biomasses non-lignocellulosiques, plus de travaux de recherche doivent être menés pour déterminer les constituants de la biomasse. Une connaissance précise de la composition de la biomasse rendrait l'interprétation des résultats de la thermogravimétrie et d’autres applications de pyrolyse plus pertinentes.
• En ce qui concerne l'analyse thermogravimétrique qui est souvent utilisée pour déterminer la cinétique de décomposition de la biomasse, il serait intéressant, non seulement, d’appliquer les réactions des hémicelluloses, de la cellulose et de la lignine, mais d'ajouter d'autres constituants de la biomasse comme le CNSL (pour le cas des coques d’anacarde) ou des protéines et d'huile végétale (pour les fruits oléagineux).
• Pour la pyrolyse de la biomasse riche en extractibles le procédé à utiliser doit permettre de limiter l'accumulation du charbon et le compactage de la biomasse/du charbon/du caloporteur. A partir de cette étude, on peut déduire que les lits fluidisés (qui sont techniquement matures et utilisés en industrie pour la combustion et la gazéification) ne sont pas tout à fait appropriés aux biomasses riches en extractibles. L'accumulation/l’agglomération du charbon pourrait être surmontée en lit fluidisé entraîné où les particules de charbon ne sont pas en contact permanent les uns avec les autres ni avec le caloporteur. Néanmoins, ces réacteurs nécessitent des débits élevés en gaz vecteur résultant en dilution élevée des vapeurs condensables et des gaz de pyrolyse. Des réacteurs à chute libre pourraient être une autre option intéressante n’ayant pas ce désavantage. Le transfert de chaleur de ce type de réacteur s'effectue principalement par le rayonnement. Pour les biomasses lignocellulosiques avec des surfaces claires cela pourrait être un facteur limitant, mais les tourteaux des biomasses riches en extractibles ont des surfaces foncées. Des réacteurs ablatifs ne nécessitent pas de gaz vecteur du tout. Cependant, la granulométrie des tourteaux n'est pas pratique car des particules plus grosses sont classiquement utilisées. Briquetage avant la pyrolyse est envisageable mais ajouterait une autre étape de traitement de la biomasse, ce qui est défavorable lorsque la conversion de la biomasse décentralisée constitue l'objectif principal. • Un avantage de l’hétérogénéité des huiles de pyrolyse avec une phase aqueuse et une phase huileuse pourrait être trouvé en cas de co-raffinage des huiles de pyrolyse avec la fraction lourde de combustibles fossiles. La phase huileuse ne contient que peu d’eau et les produits de décomposition des matières extractibles sont chimiquement plus proches à l'huile lourde que l'ensemble d'huile de pyrolyse. Toutefois, cette possibilité est plus d'importance théorique vu que la plupart des pays d’Afrique de l’Ouest n'ont pas de ressources fossiles propres ni les équipements de
Résumé en français
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Table of contents
Résumé substantiel en français ...14
Introduction générale ... 16
Chapitre I – Des combustibles liquides à partir de la biomasse ... 18 1 La biomasse et sa conversion en combustibles liquides ... 18
2 La composition chimique de la biomasse ... 19