Procédés de valorisation de la biomasse

, par Léa Vilcocq

Plusieurs projets sont inclus sous ce titre :

  1. La valorisation des gaz de fermentation riches en hydrogène comme réactif pour la chimie
  2. La pyrolyse de la biomasse
  3. La production d’additifs oxygénés pour le gazole à partir de bio-éthanol et de glycérol

1) La valorisation des gaz de fermentation riches en hydrogène

Les dernières recherches sur la fermentation anaérobie des déchets organiques montrent qu’un procédé en deux étages permettrait de produire un biogaz contenant des proportions égales d’hydrogène et de CO2, mais, selon la nature des déchets traités, contenant aussi des composés soufrés et azotés tels de l’H2S et le NH3, et des COV.

Le but de cette étude est d’évaluer les débouchés possibles des biogaz riches en hydrogène dans des applications Energie ou Chimie. Dans cette étude, nous nous proposons d’utiliser l’hydrogène dans des réactions d’hydrogénation sans purification préalable. Pour cela, l’utilisation de catalyseurs résistants aux impuretés est indispensable.

Dans une première partie de la thèse, la réaction d’hydrogénation du toluène sera la réaction de référence. Les différentes étapes de la thèse peuvent se résumer de la façon suivante :

1.Développement de catalyseurs stables d’hydrogénation adaptés à un biogaz brut si aucun catalyseur commercial n’est satisfaisant.
2.Tests de ces catalyseurs sur un biogaz synthétique.
3.Étudier l’effet de différentes impuretés présentes dans le biogaz sur le catalyseur le plus performant.
4.Développer un procédé d’hydrogénation à faible perte de charge, qui permettrait d’utiliser le biogaz à pression atmosphérique. Évaluer les mousses catalytiques.
5.Tester le catalyseur et le procédé dans des conditions expérimentales réelles : couplage avec un fermenteur à l’INRA.
6.Évaluer le procédé global.

2) La pyrolyse de la biomasse

Ce sujet est en « amont » du travail consacré à la synthèse Fischer-Tropsch en colonne à bulles. Il s’agit ici de valoriser de la biomasse en gaz de synthèse par gazéification en présence de vapeur d’eau ou non. Si les produits de réactions sont simples et clairement identifiés (CO, CO2, H2, CH4, H2O…) les réactifs sont, à l’image d’une coupe pétrolière, mal définis et très variables d’une source à l’autre, si ce n’est en termes d’analyses élémentaires. Les procédés envisagés pour cette gazéification sont essentiellement des lits fluidisés où la biomasse subit un choc thermique violent (> 1000K). La conversion de la biomasse et les sélectivités en CO, H2, …sont donc le résultat d’une compétition étroite entre transferts de chaleur et de matière au niveau des particules de solide, cinétiques intrinsèques des réactions et thermodynamique.
Sur la base de données de la littérature, une étude détaillée du couplage des divers mécanismes envisagés nous a permis de montrer que :
La composition de la phase gazeuse serait essentiellement régie par deux réactions principales : la réaction de « water gas shift » (WGS) qui serait pratiquement à l’équilibre dans la gamme 1100-1300K, et le vaporéformage du méthane qui serait sous contrôle cinétique.
Pour des particules n’excédant pas 500 µm, la transformation s’effectue en deux étapes majeures : la pyrolyse de la biomasse contrôlée par la chimie et secondairement par le transfert thermique, suivie de la vapogazéification du résidu solide contrôlée par la chimie. Il faut des particules de plus d’un millimètre pour être contrôlé par la thermique.

Sur cette base, ont été entreprises des expériences permettant d’accéder aux paramètres de base de ces divers mécanismes, en se plaçant dans des conditions aussi réalistes que possible pour l’application industrielle envisagée, c’est-à-dire à temps de séjour court et violent choc thermique. La seule technologie envisageable actuellement est le « four à chute » ou « réacteur à flux entraîné » (RFE) constitué d’un tube cylindrique chauffé dans le lequel circule un courant de gaz (inerte ou non) contrôlé dans lequel tombent par gravité des particules de solide. Une canne de prélèvement mobile permet de suivre l’évolution de la composition en fonction du temps de séjour (de 0,3 à 1 s environ). Les travaux ont été réalisés à l’École des Mines d’Albi (S. Salvador, UMR 2392).

L’ensemble des résultats collectés donne une idée encore diffuse des phénomènes et de la description nécessaire au dimensionnement ou pilotage d’un procédé. Ceci provient de la complexité des analyses chimiques, et des temps de séjour très faibles requis. On retrouve ici des difficultés déjà rencontrées au LGPC lors des travaux consacrés au craquage catalytique.

3) La production d’additifs oxygénés pour le gazole

La demande croissante en énergies renouvelables provoque un intérêt de plus en plus fort pour les méthodes de conversion de la biomasse en carburant. L’utilisation de biocarburant permet de réduire à la fois les émissions de particules et les émissions de gaz à effet de serre, donc de respecter les accords de Kyoto.

Lors de la production de diester il y a formation de deux co-produits : le bio-ethanol et le glycérol. Notre projet s’inscrit dans une démarche de revalorisation de ces composés. En effet, leur transformation en acétal ou ester peut permettre leur utilisation comme additif oxygéné dans le diesel, ce qui augmente l’indice de cétane et donc réduit les émissions particulaires.

Ce projet est mené en collaboration avec le laboratoire des matériaux catalytiques et catalyse en chimie organique (Montpellier). Après une première étape permettant de définir les réactions catalytiques mises en jeu et de sélectionner le(s) catalyseur(s) le(s) plus adapté(s), les paramètres thermodynamiques et cinétiques des réactions seront étudiés afin de sélectionner et de dimensionner un procédé.