Chapitre 5 Etude de faisabilité de l’intégration du craquage catalytique dans la filière
I. Description de la filière de référence et de la filière intégrant le craquage catalytique
1. Présentation de la filière de référence
Les bio-huiles produites par pyrolyse flash possèdent une teneur en oxygène trop élevée pour une utilisation directe en tant que biocarburants. L’une des voies envisagées pour produire des bio-huiles désoxygénées est l’hydrodésoxygénation (HDO) qui consiste à convertir les bio-huiles sous forte pression partielle de dihydrogène et en présence de catalyseurs [69, 75, 76]. L’oxygène présent dans les bio-huiles réagit avec le dihydrogène pour former de l’eau65. Après séparation de l’eau et de la fraction d’huile hydrotraitée, cette dernière est envoyée vers une unité de raffinage conventionnelle pour être convertie en biocarburants. Par la suite, la filière de conversion des bio-huiles par hydrodésoxygénation, représentée sur la figure 79, est considérée comme étant la filière de référence. Les données technico-économiques relatives à la production de bio-huiles par pyrolyse flash sont issues de l’étude du projet PRECOND (ANR-05-BIOE-008) alors que les données correspondant à l’HDO et au raffinage proviennent de l’étude du laboratoire NREL [82].
Figure 79 Filière de référence de production de biocarburants par hydrodésoxygénation d’huiles de pyrolyse. L’unité d’HDO peut être alimentée par une ou plusieurs unités de pyrolyse flash néanmoins, seule une unité de pyrolyse flash est représentée sur ce schéma. Les données de la pyrolyse flash proviennent de l’étude technico-économique PRECOND (ANR-05-BIOE-008) alors que celles de l’hydrodésoxygénation et du raffinage sont issues d’une étude du laboratoire NREL [82]
L’objectif de l’étude PRECOND est de déterminer le coût moyen de production de l’huile de pyrolyse par pyrolyse flash de biomasse. Les auteurs de cette étude font l’hypothèse que la biomasse est convertie dans un réacteur de pyrolyse flash à lit fluidisé d’une capacité de 200T/j de biomasse. La biomasse lignocellulosique est dans un premier temps séchée à 10% et broyée (5mm<ø<10mm). La pyrolyse à lieu à 450°C (à 1atm) et les rendements en bio-huiles66, en charbon et en gaz valent respectivement 72,1%, 16,2% et 11,7% (par différence). Dans cette étude, nous nous appuyons sur
65
L’hydrodésoxygénation (HDO) est un processus très similaire à l’hydrodésulfurisation (HDS), mis en œuvre dans les raffineries pour réduire la teneur en soufre des produits pétroliers. L’HDO et l’HDS ont lieu sous très forte pression de H2. L’oxygène et le soufre sont soutirés sous forme respectivement d’eau et de H2S.
Chapitre 5 Etude de faisabilité de l’intégration du craquage catalytique dans la filière
d’hydrodésoxygénation des bio-huiles pour produire des biocarburants
159
un scénario qui démontre que la combustion des gaz et d’une partie des charbons67 permet de fournir l’énergie thermique nécessaire à la pyrolyse et au séchage.
L’étude technico-économique sur l’HDO proposée par le laboratoire NREL [82] est basée sur une unité de production d’une capacité de 8800barils/jour d’huile de pyrolyse, soit près de 1670T/j68. L’alimentation d’une telle unité de production de biocarburants nécessiterait d’être alimentée par environ onze unités de pyrolyse flash, placées à proximité des lieux de production de la biomasse. D’après l’étude du laboratoire NREL, l’hydrodésoxygénation des bio-huiles a lieu sous forte pression de H2 et en présence de catalyseurs supportés sur charbons actifs [82]. Ceci est justifié par le fait que les catalyseurs supportés sur charbons actifs sont plus stables et se désactivent moins vite que ceux supportés sur alumine [76, 114]. Afin de limiter la désactivation des catalyseurs par cokéfaction, les bio-huiles passent par plusieurs réacteurs successifs69 [76]. Les bio-huiles sont dans un 1er temps acheminées vers le réacteur de stabilisation qui fonctionne à 140°C sous 85 bars. Les espèces les plus réactives sont ensuite converties dans le 1er étage d’hydrotraitement à 170°C et 140 bars alors que dans le 2ème étage, la conversion a lieu à 400°C et 140 bars [76]. Selon les auteurs de cette étude, les catalyseurs utilisés dans le réacteur de stabilisation et le 1er étage d’hydrotraitement sont des catalyseurs au ruthénium alors que ceux du 2ème étage sont des catalyseurs au molybdène [82]. La durée de vie de ces catalyseurs est supposée égale à 1 an. Selon cette étude, les bio-huiles hydrotraitées sont ensuite converties en biocarburants de 2ème génération dans une raffinerie conventionnelle constituée d’un réacteur d’hydrocraquage et de deux colonnes de distillation fonctionnant à pression atmosphérique et sous vide [82].
Cette filière de référence peut être mise en œuvre pour produire des biocarburants de 2ème génération [43, 69, 214, 215]. Cependant, il convient de rappeler que l‘hydrodésoxygénation est une étape coûteuse, en raison notamment de la consommation importante de dihydrogène. Il est donc souhaitable de réduire la consommation de H2 en désoxygénant partiellement les bio-huiles en amont de l’hydrodésoxygénation. Etant donné que le craquage catalytique favorise la désoxygénation des bio-huiles - par décarboxylation, par déshydratation et par décarbonylation -, est-il envisageable de coupler la pyrolyse flash à une étape de craquage catalytique des vapeurs de pyrolyse ? Cette alternative permet-elle de réduire les coûts d’opération à l’échelle de la filière ? Pour répondre à cette problématique, nous proposons dans la sous-partie suivante, d’intégrer un réacteur de craquage catalytique en aval de la pyrolyse flash et en amont de l’hydrodésoxygénation.
2. Présentation de la filière intégrant le craquage catalytique
Dans cette sous-partie, nous considérons la filière présentée sur la figure 80, constituée d’une première étape de pyrolyse flash suivie du craquage catalytique des vapeurs. Les huiles sont ensuite transportées vers le réacteur d’hydrodésoxygénation (HDO), puis, les bio-huiles hydrotraitées sont converties en biocarburants dans une unité de raffinage.
67
Selon cette étude, la combustion des gaz et d’environ 2/3 des charbons produits permet de couvrir les besoins en chaleur.
68
En considérant une masse volumique des bio-huiles d’environ 1200kg/m3.
160
Figure 80 Schéma bloc de la filière de production de biocarburants intégrant le craquage catalytique. Cette filière est constituée d’une étape de pyrolyse flash, de craquage catalytique, d’hydrodésoxygénation (HDO) et de raffinage
En se projetant sur cette filière, notons que le réacteur de craquage catalytique est nécessairement situé sur le lieu de production des bio-huiles. Nous considérons qu’il s’agit d’un réacteur contenant un lit fixe de catalyseur même si, en pratique, il est aussi possible de placer directement le catalyseur dans le réacteur de pyrolyse à lit fluidisé [100]. Le craquage catalytique a lieu entre 300°C et 600°C à pression atmosphérique [69]. Les catalyseurs sont généralement supportés sur zéolithes [69], cependant, nous avons vu au chapitre 4 que des catalyseurs supportés sur charbons actifs peuvent aussi être employés. Il est bien accepté qu’une augmentation de la température de craquage catalytique entraîne une augmentation des rendements en CO2 et en CO ce qui permet de réduire la teneur en oxygène des bio-huiles craquées (débit 1’). Néanmoins, une température trop élevée favorise la formation de coke [69] ce qui suggère que les conditions opératoires doivent être ajustée pour favoriser la désoxygénation tout en limitant la désactivation du catalyseur.
Comme évoqué précédemment, le craquage catalytique permet de réduire la teneur en oxygène des bio-huiles ce qui entraîne une réduction de la consommation de dihydrogène au cours de l’HDO. Or, notons que, lorsque l’oxygène est retiré par décarbonylation et par décarboxylation, le craquage catalytique occasionne une perte de carbone. Par conséquent, à l’échelle de la filière, ceci entraîne une surconsommation de bio-huiles de pyrolyse flash. Autrement dit, le craquage catalytique diminue la consommation de H2 mais augmente mécaniquement la consommation d’huile de pyrolyse requise pour produire une quantité donnée d’huile hydrotraitée.
Chapitre 5 Etude de faisabilité de l’intégration du craquage catalytique dans la filière
d’hydrodésoxygénation des bio-huiles pour produire des biocarburants
161