Dans cette section, nous détaillons les propriétés physico-chimiques des charbons récupérés après les séries µ-BW et µ-SFS. Etant donné leur rôle comme catalyseur des réactions hétérogènes, nous dédions une attention spéciale au contenu en matières inorganiques du char-FHT, et en particulier aux espèces majoritaires, c’est-à-dire : les éléments alcalins et alcalinoterreux (EAA) et la silice (Si). Dans un deuxième temps, nous discutons l’influence de l’accumulation du char-FHT sur les valeurs de perte de charge à travers le filtre (∆Pchar) pour l’ensemble des tests à échelle pilote et laboratoire. L’enjeu ici est notamment d’évaluer l’impact des propriétés physico-chimiques des particules de char-FHT sur la perte de charge à travers le filtre ∆Pchar.
3.1. Caractérisation physico-chimique des particules de charbon
Les résultats des analyses immédiates et du dosage des matières inorganiques ICP-AES des échantillons de char-Cy et char-FHT récupérés après les séries µ-BW et µ-SFS sont présentés dans le Tableau 27et discutés dans les paragraphes suivants.
Tableau 27 : Caractérisation physique-chimique des charbons collectés après les séries µ-BW et µ-SFS.
Biomasse Bois hêtre (BW) Tiges tournesol (SFS)
Propriétés/Type charbon Cyclone FHT Cyclone FHT
Teneur en volatiles (%wt bs) 18,1 ± 0,3 20,8 ± 0,4 10,8 ± 0,7 14,1 ± 0,2
Teneur cendres (%wt bs) 7,10 ± 0,4 15,7 ± 0,1 16,3 ± 0,2 20,3 ± 0,3
Carbone fixe par différence 74,8 ± 0,7 63,5 ± 0,5 73,6 ± 0,9 65,3 ± 0,7
Distribution inorganiques (%wt bs) SiO2 0,81 ± 0,25 1,23 ± 0,74 5,06 ± 1,61 2,62 ± 0,33 K2O 0,99 ± 0,03 0,84 ± 0,13 2,63 ± 0,08 2,48 ± 0,03 CaO 1,41 ± 0,05 1,66 ± 0,21 2,89 ± 0,16 4,74 ± 0,01 MgO 0,30 ± 0,002 0,34 ± 0,06 1,13 ± 0,07 1,44 ± 0,04 Na2O 0,03 ± 0,002 0,04 ± 0,03 0,40 ± 0,07 0,41 ± 0,08
Les écart-types correspondent à deux ou quatre déterminations.
D’après ces résultats on observe qu’indépendamment de la biomasse utilisée, le char-FHT présente une teneur plus importante en cendres et volatiles par rapport au char-Cy. La valeur plus élevée en cendres des particules du char-FHT peut s’expliquer par la tendance des matières inorganiques à s’accumuler sur les particules de plus petites tailles351. La teneur en volatiles plus élevé du char-FHT peut s’expliquer par la condensation de molécules organiques à la surface du char.
En ce qui concerne l’exploitation des résultats du dosage ICP-AES, nous avons utilisé deux expressions de la concentration : soit, en valeur absolue par rapport à la masse totale de l’échantillon (Tableau 27), soit, en valeur relative calculée à partir de la masse totale des éléments inorganiques quantifiés par ICP-AES (Figure 47).
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Suivant la première option, la comparaison des valeurs de concentration des EAA dans les échantillons de char-cy et char-FHT par rapport à la biomasse originale (voir Tableau 8), confirme la tendance générale des matières inorganiques à s’accumuler dans les particules du charbon lors de la réaction de PF. Cette tendance est indépendante de l’espèce de biomasse.
Suivant la deuxième option, nous présentons dans laFigure 47 la distribution des EAA déterminée par rapport à la masse totale des EAA (silice exclu) quantifiée dans les échantillons de biomasse, du char-cy et du char-FHT. Nous avons préféré exclure la SiO2 en raison de la forte incertitude introduite par l’utilisation du sable comme agent fluidisant dans le réacteur de PF. Ces résultats nous permettent d’affirmer que :
- La distribution des EAA n’est pas modifiée par rapport à celle de la biomasse originale (Ca2+>K+>Mg2+>Na+).
- La distribution des EAA reste finalement très proche entre les charbons de BW et SFS.
Figure 47: Distribution des EAA (exprimée en % sur le total analysé) pour les échantillons de biomasse, cy et char-FHT.
3.2. Variation de la perte de charge au cours des tests de FHT
Les propriétés physico-chimiques des particules accumulées sur la couche poreuse du char-FHT déterminent sa perméabilité et donc, la perte de charge dans l’intérieur du FHT. Parmi ces propriétés, la taille des particules est un des paramètres le plus déterminant.
Rappelons que l’ensemble des tests de FHT effectués dans nos travaux, ont été effectués avec un cyclone placé à la sortie du réacteur de pyrolyse, en amont de l’unité de FHT. Sous cette configuration, plus du 90% des particules entrainées avec le flux de vapeurs ont été systématiquement piégées par le cyclone. Par conséquent, les particules du char-FHT récupérées autant à l’échelle pilote qu’à l’échelle laboratoire, ont présenté une granulométrie comprise entre 1-100µm avec un diamètre moyen situé entre 10-30 µm.
A titre d’exemple nous illustrons dans la Figure 48les distributions granulométriques des échantillons de biomasse, du char-cy et du char-FHT, récupérés lors du test SFS400. Sur la base de ces résultats il est possible d’affirmer que l’utilisation d’un FHT en aval du cyclone augmente l’efficacité du système d‘élimination des particules. Cette complémentarité dans l’élimination des particules solides peut avoir une implication pratique importante compte tenu de la diminution de l’efficacité des cyclones lors du « scaling-up » des unités124, en particulier, pour la séparation de microparticules (dp<10µm).
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De plus, étant donné la tendance des matières inorganiques à s’accumuler dans la fraction des solides de plus petite taille, l’utilisation d’une unité de FHT en complément au cyclone est, donc, indispensable pour éviter le transport de matières inorganiques vers les bio-huiles.
Figure 48 : Distribution granulométrique des échantillons de biomasse, de charbon du cyclone et du char-FHT récupérés après le test SFS400 à échelle pilote.
Les valeurs de la perte de charge produite par accumulation de char-FHT (∆Pchar) pour l’ensemble de tests menés dans cette étude sont illustrées dans la Figure 49, représentées en fonction de la valeur du paramètre ξ (gcharbon.cm-2FHT). Rappelons que le paramètre ξ peut être corrélé avec l’épaisseur de la couche du char-FHT. Les tendances observées pour la perte de charge sont discutées dans les paragraphes suivants.
Figure 49 : Perte de charge totale mesurée entre l'entrée et la sortie du FHT pour les expériences à échelle pilote et laboratoire conduites dans l'étude de la FHT.
A l’échelle pilote, la faible teneur en fines particules de la biomasse utilisée dans les tests BW400 et
BW500 a conduit à la formation d’une couche du char-FHT de faible épaisseur (1-2mm) et à une augmentation de la ∆Pchar jusqu’à une valeur de 24 et 18 mbar, respectivement. En revanche, le haut contenu en fines particules de la biomasse SFS (<2000µm), utilisée dans les tests SFS400 et SFS500, a produit une couche homogène de char-FHT de 1-2cm d’épaisseur. La valeur de ∆Pchar pour ces deux tests a résulté en 26 et 22 mbar, respectivement. Une inspection visuelle de la chandelle après le test
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SFS400 a révélé une couche de charbon fragile et facilement détachable du support (Figure 50). Au contraire, la couche de charbon formée après le test SFS500 a montré un aspect plus cohésif. Cette dernière n’a pas pu être retirée du support qu’à l’aide d’une spatule.
Figure 50 : Etat de la chandelle filtrante après le test SFS400.
A l’échelle laboratoire, la haute teneur en fines de deux biomasse a conduit à une épaisseur de la
couche de charbon entre 1-2 cm pour les deux séries ; µ-BW et µ-SFS (voir Figure 51). Dans les deux cas, l’inspection visuelle des chandelles après les séries a révélé une couche de charbon fragile et facilement détachable du support.
Figure 51 : Etat de la chandelle filtrante après les séries µ-SFS (gauche) et µ-BW (droite). Notons que les fragments de charbon détachés de la chandelle lors de son extraction du carter du filtre ont été récupérés et pesés. La masse de ces fragments a été additionnée à la masse du charbon totale récupérée sur le filtre (mchar-FHT).
Les distributions granulométriques des échantillons de char-FHT récupérés après les séries µ-BW et µ-SFS ont été illustrés dans la Figure 52. Globalement nous observons des distributions granulométriques très proches. Néanmoins, ces résultats confirment une teneur en très fines particules (dp<10 µm) plus élevée pour l’échantillon correspondant à la série µ-BW. La forte présence de ces particules micrométriques et possiblement sub-micrometriques dans le cas de la
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série µ-BW, peut expliquer la rapide augmentation de la perte de charge à travers le filtre observée au cours de cette série (voir Figure 49).
Figure 52: Distribution granulométrique des échantillons de char-FHT récupérés après les séries µ-SFS et µ-BW. Dans le deux cas la médiane de la distribution
3.3. Conclusion partielles
La teneur en matières inorganiques et volatiles est plus élevée dans le char récupéré sur le FHT que dans le cyclone. Néanmoins, la teneur en EAA, reste dans les deux charbons, similaire à celle de la biomasse originale.
L’utilisation d’un cyclone en amont du FHT a conduit à une distribution granulométrique des char-FHT similaire dans les différents tests de filtration à échelle pilote et laboratoire. En revanche, l’épaisseur de la couche de char-FHT est fortement dépendante de la teneur en fines particules dans la biomasse originale.
Les valeurs de perte de charge du filtre au cours des séries µ-BW et µ-SFS à échelle laboratoire ont montré des tendances divergentes, avec une augmentation très prononcée dans le cas de la série µ-BW. Cette augmentation peut s’expliquer par la teneur plus élevée en très fines particules dans le cas du BW (<500µm).
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