Réacteur tubulaire à lit fixe

Ce réacteur de pyrolyse permet d’étudier les mécanismes de décomposition de la biomasse sous atmosphère inerte sur une large gamme de température. Sur ce dispositif, la biomasse est insérée dans le réacteur de pyrolyse à l’aide d’une nacelle fixée sur une tige en métal.

a. Schéma et principe de fonctionnement

Ce réacteur de pyrolyse (figure 29) est constitué d’un four tubulaire horizontal (Pyrox VK65/550) en acier inoxydable (φ = 5cm, L = 60cm). L’échantillon de biomasse est placé dans une nacelle (L = 8cm, l = 3cm et H = 1,7cm) fabriquée à partir d’un grille métallique possédant un maillage très fin. La nacelle est maintenue à température ambiante et sous atmosphère inerte dans la chambre d’alimentation pendant la phase de préchauffage du réacteur. La chambre d’alimentation est elle-même refroidie par l’intermédiaire d’un échangeur thermique alimenté en eau. L’ensemble de l’installation est inerté sous N2 par l’intermédiaire d’un débitmètre massique (Brooks 5850S). Le débit de N2 a été fixé à 41,7NL/h afin d’évacuer rapidement les vapeurs de pyrolyse pour limiter les réactions de craquage thermique. La sortie du réacteur est connectée à l’étage de condensation par l’intermédiaire d’un

Ballon Bain thermostaté Condenseur

Chapitre 2 Matériel et Méthodes

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coude flexible maintenu à 430°C à l’aide d’une résistance pour éviter une condensation prématurée des vapeurs de pyrolyse. L’étage de condensation se compose d’un échangeur thermique alimenté en liquide de refroidissement à -15°C. L’échangeur est relié à un filtre électrostatique par un ballon bicol plongé dans un bain thermostaté Julabo F25 (Pth(-20°C) = 0,06kW) maintenu à -15°C. Le filtre électrostatique permet de piéger les aérosols par effet Corona. Il est constitué d’une cathode centrée au milieu d’une anode tubulaire branchée à un générateur de tension Glassman High Voltage délivrant une tension de 10kV. La cathode est l’anode sont placées dans un tube en verre (φ=4,5cm et H=30cm). L’échangeur et le filtre électrostatique permettent de récupérer la majorité des bio-huiles dans le ballon bicol. En sortie du filtre électrostatique, les vapeurs résiduelles sont piégées dans un piège à billes placé dans le bain froid à -15°C suivi d’un piège contenant du silicagel. Les gaz incondensables sont ensuite recueillis dans un sac d’échantillonnage.

Figure 29 Schéma du réacteur tubulaire à lit fixe.

Les échanges thermiques sont essentiellement convectifs et radiatifs. Le coefficient d’échange thermique sur ce réacteur a été calculé par Jendoubi [38]. Il est de 50W/(m².K) à 500°C. Le profil de montée en température de la biomasse est de type réponse à un échelon de température. Il peut être estimé par l’équation 3.

𝑇(𝑡) = 𝑇𝑂(1 − 𝑒^−𝑡𝜏)

Équation 3 Profil de température dans le réacteur de pyrolyse à lit fixe

Avec T0 la température du réacteur et τ le temps caractéristique (figure 30). Expérimentalement, ce temps caractéristique est d’environ une minute. A t=0, la vitesse de montée en température est égale à ^𝑇_𝜏^𝑂, soit environ 8,3°C/s pour T0 = 500°C et 10°C/s pour T0 = 600°C. Le temps de séjour des vapeurs - calculé par Richardson – est d’environ 2s [27].

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Figure 30 Profils de température mesurés à partir du thermocouple placé dans la biomasse. La température du réacteur est fixée à 500°C, le débit de N2 est de 41,7NL/h et le temps de séjour de la biomasse est de 12 minutes.

b. Protocole expérimental

Avant chaque essai de pyrolyse, la biomasse est séchée une nuit dans une étuve ventilée à 105°C. La biomasse (environ 6g, granulométrie 0,5<φ<2mm) est placée dans la cuillère elle-même maintenue à température ambiante et sous atmosphère inerte dans le sas d’alimentation. L’évolution de la température dans le lit de biomasse est mesurée en continu avec deux thermocouples de type K. Le réacteur est balayé en continu par un débit de N2 fixé à 41,7NL/h et est préchauffé à 500°C ou à 600°C. Deux tests de fuite sont effectués avant chaque essai de pyrolyse: un test de fuite en débit et un test de fuite pour s’assurer qu’il n’y a plus d’oxygène dans le réacteur. Le premier test consiste à mesurer le débit volumique de N2, à vide, en aval de l’étage de condensation. Un débit inférieur à la valeur de consigne signale une fuite. Pour le second test, la teneur en O2 est mesurée en ligne par une µGC en court-circuitant le sac d’échantillonnage. Le test est validé lorsque la teneur en O2 est inférieure à 0,1%. Ensuite, le sac d’échantillonnage des gaz est purgé à l’aide d’une trompe à eau. Enfin, la tension de l’électrofiltre est ajustée à 10kV. L’essai de pyrolyse peut commencer lorsque les deux tests de fuite ont été effectués et que le réacteur, la résistance externe et le bain froid ont atteints leurs températures de consigne.

Au début de l’essai de pyrolyse, le chronomètre est lancé et les gaz de pyrolyse sont envoyés vers le sac d’échantillonnage. Au bout de 30s, la nacelle contenant la biomasse est insérée vivement dans le réacteur. Les premières vapeurs de pyrolyse apparaissent une minute après l’insertion de la biomasse dans le réacteur. La majeure partie des vapeurs est piégée dans l’échangeur et le filtre électrostatique. Le piège à billes et le piège contenant du silicagel permettent de récupérer les molécules les plus volatiles (principalement de l’eau et de l’acide acétique…). Au bout de 6 minutes, il n’y a presque plus de vapeurs de pyrolyse. Après 12 minutes, la cuillère est retirée du réacteur et est

Chapitre 2 Matériel et Méthodes

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placée dans la chambre d’alimentation afin de refroidir le charbon sous atmosphère inerte. Le charbon est récupéré lorsque la température est proche de la température ambiante²⁴. Il est ensuite pesé sur une balance précise à 1mg. Au bout de 16 minutes, le sac d’échantillonnage des gaz est refermé. Les gaz récupérés dans le sac d’échantillonnage sont envoyés vers la µGC afin de mesurer les teneurs en N2, en CO2, en CO, en H2, en CH4, en C2H4 et en C2H6 (au moins 5 répétitions). Le calcul de la masse de gaz est présenté dans la partie IV.3.

Pour déterminer la masse d’huile de pyrolyse produite, tous les éléments de condensation sont pesés (sur une balance à 1mg) avant et après l’essai. Les bio-huiles condensés dans l’échangeur, le bicol ou le filtre électrostatique sont récupérées avec une quantité connue d’acétone avant d’être analysées. Le piège à billes et le piège à silicagel permettent de récupérer les vapeurs résiduelles qui sont principalement composées de molécules légères. En pratique, ces deux pièges permettent de récupérer moins de 15% des vapeurs de pyrolyse contre plus de 85% qui sont piégées dans le ballon bicol. Par conséquent, les analyses chimiques - GC-MS et Karl Fischer - sont effectuées sur les bio-huiles récupérées dans le ballon bicol et sont supposées représentative de l’ensemble des bio-bio-huiles. Les rendements sont calculés à partir des masses de biomasse, d’huile de pyrolyse, de charbon et de gaz. Les bio-huiles contiennent entre 20% et 25% d’eau [168], la partie restante constitue la fraction organique. Nous distinguons volontairement le rendement en eau et le rendement de la fraction organique qui est la fraction valorisable des bio-huiles.