4.1. Tests de référence : BW et SFS
Les rendements des principaux produits de pyrolyse et gaz non-condensables pour l’ensemble des tests menés à l’échelle pilote sont détaillés dans le Tableau 28 et discutés dans les paragraphes suivants.
Tableau 28 : Rendements des produits de pyrolyse et gaz calculés pour l’ensemble des tests à échelle pilote. BW BW400 BW500 SFS SFS400 SFS500 Ecart-type Rendements Produits % Organique 39 36,5 34 24 19 15 ± 1,0 Eau 22 22 19,5 21 21 21 ± 0,5 Légers 8 7 9 5 7,5 9,5 ± 2,6 Solides 14 14 15 22 25 25 ± 1,8 Gaz 14,5 14,8 16,0 15,6 16,0 19,5 ± 1,3 Total 97 94 93,5 88 89 89,5 ± 0,4 Rendement Gaz % CO2 9,0 8,8 8,2 11,3 12,1 12,8 ± 0,5 CO 4,7 5,1 6,6 3,7 3,9 5,1 ± 0,5 CH4+C2 0,7 0,8 1,3 0,5 0,7 1,5 ± 0,1 H2 0,02 0,03 0,04 0,02 0,02 0,07 ± 0,003 (a)
Ecart-types calculés à partir de trois répétitions du test BW.
Les bilans de matière des tests conduits à partir du hêtre bouclent autour de 95%. Pour le test BW, les valeurs des rendements obtenus sont en ligne avec des résultats obtenus dans des systèmes équivalents et dans des conditions opératoires similaires265,334.
Dans le cas des tests conduits avec des tiges du tournesol, les bilans de matière bouclent à 90%. Cet écart peut être attribué à la perte de masse provoquée par la formation des dépôts sur les parois du système de condensation. Nous avons, après récupération à l’acétone et évaporation du solvant, déterminé un rendement pour cette perte de masse. Cependant, l’incertitude liée à la méthode de récupération empêche son incorporation au bilan. Les rendements obtenus pour le test de référence SFS sont en ligne à ceux obtenus par le groupe de Stahl et al.341. L’écart observé dans les rendements de solides et gaz par rapport à nos résultats, peut être expliqué par la forte teneur en cendres de leur biomasse et à la différence en la technologie du réacteur de pyrolyse.
La comparaison entre les rendements obtenus pour les tests SFS et BW confirme l’influence de la teneur en matières inorganiques de la biomasse sur les mécanismes de la réaction de pyrolyse. Ainsi des réactions de carbonisation et polymérisation sont catalysées en présence des matières inorganiques conduisant à une augmentation du rendement en solides et une réduction du rendement en organique. Ces réactions ont lieu dans l’intérieur du réacteur de PF comme résultat (a) des interactions intra-particulaires pendant la décomposition de la particule de
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biomasse95,99,101,102,352–354 et, (b) des interactions extra-particulaires entre les vapeurs et les particules de charbon155,165,166.
En outre, il a été démontré que ces réactions entrainent une l’augmentation du rendement en eau155. Cependant, nous observons des rendements d’eau similaires pour les tests BW et SFS. Ce résultat inattendu peut être expliqué par la faible efficacité de la chaine de condensation à échelle pilote pour la condensation des molécules volatiles telles que l’eau. La mesure de la teneur en eau dans les plongeurs de la ligne d’échantillonnage après chaque test serait, donc, nécessaire afin de diminuer l’incertitude en la détermination du rendement total en eau dans ce dispositif.
4.2. Impact de la FHT sur les rendements des produits
Les rendements obtenus pour les tests de filtration à haute température ont été inclus dans le Tableau 28et sont discutés dans les paragraphes suivants.
En général, nous observons une augmentation du rendement de légers et gaz en détriment du rendement organique, en particulier pour les tests menés à partir du SFS. Cette tendance est accentuée avec l’augmentation de la température de filtration. Néanmoins, et malgré la valeur élevée des trois paramètres (température de filtration, épaisseur de la couche de char-FHT et, teneur en matière inorganiques de la biomasse) atteins dans le test SFS500, les variations dans les rendements individuels demeurent inférieures à 10%, ce qui est en ligne avec les valeurs signalées dans la literature256,260,261,264,265,355.
La faible variation des rendements en gaz observée pour les tests BW400 et SFS400 confirme l’impact marginal de la FHT sur les produits de PF à 400°C. En revanche, dans le cas des tests de filtration conduits à 500°C, nous avons observé une augmentation considérable des rendements en H2,CO, CH4 et C2. Quant au rendement de CO2, nous avons constaté un comportement dépendant de l’espèce de biomasse car il augmente dans le cas du test SFS500 et diminue pour BW500.
Les compositions volumiques instantanées de H2 et la somme (CH4 + C2) ont été illustrées dans la Figure 53. Comme exposé auparavant (chapitre I, section 4.2) ces gaz sont reconnus comme des indicateurs des réactions secondaires des vapeurs de PF.
D’un côté, la faible variation de la concentration de CH4 et C2 au cours des test de filtration démontre que les réactions de craquage ont lieu principalement en phase homogène, favorisées par l’augmentation de la température et du temps de séjours des vapeurs dans l’intérieur du carter du FHT.
D’un autre côté, la tendance croissante observée pour la concentration de H2 avec l’accumulation du char-FHT, notamment pour le test SFS500, confirme que des réactions de re-polymérisation et condensation sont catalysées sur la surface des particules du char-FHT. En outre, nous pouvons constater une augmentation très faible de la concentration en H2 dans les deux premières heures des tests de référence BW et SFS. Cette augmentation est probablement due à l’accumulation du charbon dans le réacteur.
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Figure 53 : Concentration volumiques instantanées pour l’ensemble des tests menés à échelle pilote.
Le Tableau 29 détaille les rendements des différents étages du système de condensation pour l’ensemble des tests. Ces résultats montrent que l’introduction d’une unité de FHT dans un système de PF conventionnelle entraine une diminution du rendement des étages F1 et F3 et une augmentation du rendement des étages F4 et Légers. Cette tendance est accentuée avec l’augmentation de la température de filtration.
Tableau 29 : Rendements des liquides des différents étages du système de condensation des vapeurs de pyrolyse pour l’ensemble des tests effectués à échelle pilote. Les rendements sont exprimés en % (sur biomasse brute).
Rendements % BW BW400 BW500 SFS SFS400 SFS500 Ecart-type F1 8,2 4,9 6,2 7,5 5,5 2,2 ± 0,5 F2 21,7 23,6 22,7 21,2 20,8 19,8 ± 1,2 F3 28,8 26,7 22,1 14,8 11,9 11,1 ± 0,2 F4 1,4 3,1 8,9 1,9 2,0 2,7 ± 1,0 Légers 8,3 7 8,9 4,9 7,5 9,5 ± 2,6 Total Liquides 68,5 65,4 68,7 50,4 47,7 45,3 ± 2,3
Afin de compter avec une vision plus claire de l’impact de la FHT sur la composition des vapeurs nous avons assemblé les rendements des différents étages dans deux groupes :
- Un premier groupe constitué par les étages F1 et F3. Ce groupe rassemble la majorité des molécules et oligomères organiques transportées sous forme d’aérosols.
- Un deuxième groupe constitué par les étages F2, F4 plus la masse estimée en légers. Ce groupe rassemble une grande partie de l’eau produite lors de la pyrolyse et aussi les molécules de très faible masse molaire, p.ex. : formaldéhyde, Acide acétique, méthanol… Suivant cet agroupement, nous représentons dans la Figure 54la différence entre la valeur obtenue dans les tests de référence BW et SFS, et la valeur obtenue dans les tests de FHT.
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Figure 54 : Variations des rendements de la somme des étages (F1+F3) et (F2+F4+Légers) pour les tests de FHT.
Globalement, à l’exception de la valeur du groupe (F2+F4+Legers) pour le test à 500°C, nous constatons des variations équivalentes entre les tests conduits à partir du hêtre et des tiges de tournesol à une même température.
A 400°C, nous observons une variation pour les deux groupes très similaire entre les tests BW400 et SFS400. Compte tenu de l’écart de la valeur du paramètre ξ entre les tests BW400 et SFS400 (voir Tableau 26), il peut être conclu, qu’à cette température, les réactions secondaires hétérogènes produites sur la surface des particules de char-FHT sont négligeables par rapport aux effets des réactions secondaires homogènes produites dans le carter du FHT.
A 500°C, le rendement du groupe (F1+F3) diminue notablement pour les deux tests BW500 et SFS500. En revanche, le rendement du groupe (F2+F4+Legers) montre une augmentation notable uniquement dans le cas du test BW500, ce qui contraste avec la différence de la valeur du paramètre ξ entre les deux tests. Ce résultat anomal pourrait indiquer une certaine susceptibilité des vapeurs de hêtre à réagir avec le support céramique de la chandelle filtrante. Néanmoins, des tests complémentaires seraient nécessaires pour confirmer cette hypothèse.
En résumé, en ligne avec les travaux de recherche conduits par M.Milhe73, ces résultats corroborent le rôle prépondérant de la température de FHT dans la détermination de l’activité catalytique du char-FHT. Ainsi, dans le but de préserver le rendement liquide, il est nécessaire d’opérer le FHT au-dessous de 500°C.
Enfin, ces résultats appellent à une étude plus complète sur l’impact des trois paramètres de la FHT (température, paramètre ξ, teneur en inorganiques de la biomasse) sur les rendements et la composition chimique des bio-huiles. Néanmoins, afin de pouvoir isoler les effets de chaque paramètre et, de déterminer les mécanismes des réactions secondaires, la méthodologie expérimentale doit être adaptée.
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