Pyrolyse rapide de biomasses et de leurs constituants. Application à l'établissement de lois prévisionnelles, Fast pyrolysis of different types of biomasses and of their components. Application to the determination of predictive laws

Stefanie Kohler

Description

Sous la direction de Jacques Lede, Monique Ferrer
Thèse soutenue le 01 avril 2009: INPL
La pyrolyse rapide de différents types de celluloses, lignines, xylanes ainsi que de mélanges synthétiques obtenus à partir de ces composés modèles et aussi de deux biomasses réelles (bois de bouleau et paille de blé), est étudiée dans un four à image. Les vitesses de perte de masse pour les composés modèles étudiés sont très différentes, de manière générale la plus grande vitesse de perte de masse est observée pour la cellulose, suivie du xylane et de la lignine. La lignine se distingue par un temps de début de réaction plus petit que celui observé pour le xylane et la cellulose. Pour un temps donné, le rendement en charbon est plus grand pour la lignine que pour le xylane. La formation de charbon à partir de la cellulose est marginale. La cellulose microgranulaire produit en majorité des vapeurs et très peu de gaz. La cellulose extraite du bois de bouleau montre un comportement intermédiaire entre le comportement de la cellulose microgranulaire et les lignines. Le xylane se distingue par une vitesse de formation de gaz supérieure à celles des vapeurs. Les mélanges synthétiques à partir des trois composés modèles montrent un comportement intermédiaire. Le bois de bouleau est plus réactif que la paille de blé et son comportement peut être comparé à celui de la cellulose extraite du bois de bouleau en ce qui concerne les vitesses de perte de masse et de formation de vapeurs. Une corrélation simple se basant sur l’addition pondérée des vitesses de formation des produits est établie et les résultats obtenus sont comparés aux résultats expérimentaux. Il s’avère que les inorganiques jouent un rôle important lors de la pyrolyse : le comportement de la paille de blé, une biomasse riche en inorganiques, ne peut pas être décrit par de telles corrélations. Des écarts moins significatifs entre les valeurs obtenues par les corrélations théoriques et celles provenant des résultats expérimentaux sont observés pour les mélanges synthétiques et le bois de bouleau. En conclusion, l’hypothèse d’une corrélation simple, appelée loi prévisionnelle, ne semble pas être justifiée sur les vitesses de formation de produits. Un modèle est alors développé qui permet de décrire le comportement pyrolytique à l’aide de courbes non linéaires pour la perte de masse et la production des produits. A l’exception de la paille de blé, de nouvelles lois prévisionnelles additives peuvent alors être déterminées de manière très satisfaisante au regard de la précision des mesures expérimentales
-Pyrolyse rapide
-Four à image
-Lois prévisionnelles
-Cellulose
-Lignine
-Xylane
-Mélanges synthétiques
-Paille de blé
-Bois de bouleau
The fast pyrolysis of different types of celluloses, lignins, xylanes as well as different mixtures of these basic compounds and two real biomasses (birch wood and wheat straw) has been studied in an image furnace. The mass loss rates of each of the studied model compounds are very different, but usually higher for cellulose than xylane and higher for xylane than lignins. Lignins begin to react before xylane and cellulose. For a given pyrolysis time, lignins produce more char than xylane. Char formation from cellulose remains insignificant, close to zero. Microgranular cellulose gives mainly rise to vapours and very little gas is formed. Cellulose extracted from birch wood shows an intermediate behaviour between microgranular cellulose and lignins. Production rates of gases are higher than those of vapours for xylan. Regarding the mixtures of these three compounds, an intermediate behaviour can be observed. Birch wood is more reactive than wheat straw. Its pyrolytic behaviour is similar with that of cellulose extracted from birch wood with regard to concerning mass loss rates and vapours formation. A simple additive correlation relying on mass loss rates and products formations rates is elaborated and the results compared to the experimental values. It appears that inorganics play an important role in biomass pyrolysis : the pyrolytic behaviour of wheat straw, a biomass which is rich in inorganics, cannot be described by simple additive correlations. Less significant gaps between expected rates obtained by the correlations and the observed rates obtained by the experiments are found for synthetic mixtures and birch wood. In conclusion, the hypothesis of linear correlations cannot be supported for representing the products formations rates. A complete mathematical model is then developed revealing a non-linear behaviour of the variations of mass losses and products formations. Except for wheat straw, new additive correlations are then determined. The agreement with the experimental results is very satisfying with regard to the measurements accuracies
-Fast pyrolysis
-Modeling
-Image furnace
-Additive correlations
-Xylan
-Lignin
-Cellulose
-Synthetic mixture
-Wheat straw
-Birch wood
Source: http://www.theses.fr/2009INPL017N/document

Sujets

• Lignine
• Xylane
• Cellulose

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 90
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

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Institut National Polytechnique de Lorraine
Ecole Nationale Sup¶erieure des Industries Chimiques
Ecole Doctorale Sciences et Ing¶enierie des Ressources Proc¶ed¶es Produits Environnement (RP2E)
Laboratoire des Sciences du G¶enie Chimique
Pyrolyse rapide de biomasses et de leurs constituants.
Application a? l’¶etablissement de lois pr¶evisionnelles.
T h ?e s e
pour obtenir le grade de
docteur de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
Discipline : G¶enie des proc¶ed¶es
par
Dipl.-Ing. Stefanie KOHLER
Ing¶enieur Verfahrenstechnik de l’Universit˜at Karlsruhe TH, Karlsruhe (Allemagne)
Cette these? a ¶et¶e soutenue publiquement le 1.4.2009.
Membres du jury : Hans{Gun˜ ther Lintz (rapporteur)
Jean{Michel Most (rapp
¶ ¶Jacques Lede (directeur)
Monique Ferrer (co-directrice)
St¶ephane Thomas
Jean{Victor WeberRemerciements
¶ ¶J’exprime mes profonds remerciements a? mon directeur de th?ese, Monsieur J. Lede pour l’aide
comp¶etente qu’il m’a apport¶ee, pour sa patience lors de la phase r¶edactionnelle ainsi que pour
son encouragement a? flnir un travail commenc¶e il y a longtemps. Son oeil critique m’a ¶et¶e tres?
pr¶ecieux pour structurer le travail et pour am¶eliorer la qualit¶e des difi¶erentes sections.
Ensuitejetiensa?remercierMademoiselleM.Ferrerpourm’avoirdonn¶elapossibilit¶ed’¶etudier
la mod¶elisation et ainsi de mieux comprendre la complexit¶e de cet outil qui permet d’¶etudier les
ph¶enomenes? se d¶eroulant pendant une pyrolyse, tout en gardant un oeil critique de par la sensi-
bilit¶e par rapport au choix des parametres.?
Mesamisetcollegues,? ainsiquemondirecteurdethese? ontbeaucoupcontribu¶ea?mettreenforme
monfran»caistr?esapproximatif.Sanseux,j’auraissansdoute¶et¶ed¶ecourag¶eeparcettelangueque
j’aime bien au quotidien, mais qui se marie di–cilement a? ce grand travail de r¶edaction. Il reste
certainement des am¶eliorations a? faire et je vous remercie de votre patience lors de la lecture de
phrases construites a? l’allemand .
J’exprime aussi ma gratitude aux membres du LSGC, qui, pendant ces ann¶ees de th?ese, m’ont
permis d’avancer avec mes travaux, que ce soient l’am¶elioration de l’installation (les membres de
l’atelier, l’ensemble des services micro{¶electroniques et informatiques), la recherche de sources
bibliographiques (les membres de la bibliotheque),? ou les d¶emarches administratives (l’¶equipe du
secretariat).
L’aboutissement de cette these? a aussi ¶et¶e encourag¶e par de nombreuses discussions avec des
collegues? de disciplines vari¶ees. Je ne citerai pas de noms ici, de peur d’en oublier certains.
D’autres personnes m’ont encourag¶e a? flnir ce travail par des gestes d’amiti¶e dont je suis recon-
naissante.
"Last but not least", j’exprime ma gratitude aux membres de mon jury de these? : Hans{Gun˜ ther
Lintz, Jean{Michel Most, St¶ephane Thomas et Jean{Victor Weber.
1
R¶esum¶e
La pyrolyse rapide de difi¶erents types de celluloses, lignines, xylanes ainsi que de m¶elanges
synth¶etiques obtenus a? partir de ces compos¶es mod?eles et aussi de deux biomasses r¶eelles, (bois
de bouleau et paille de bl¶e), est ¶etudi¶ee dans un four a? image. Les vitesses de perte de masse
pour les compos¶es mod?eles ¶etudi¶es sont tres? difi¶erentes, de mani?ere g¶en¶erale la plus grande vi-
tesse de perte de masse est observ¶ee pour la cellulose, suivi du xylane et de la lignine. La lignine
se distingue par un temps de d¶ebut de r¶eaction plus petit que celui observ¶e pour le xylane et la
cellulose. Pour un temps donn¶e, le rendement en charbon est plus grand pour la lignine que pour
lexylane.Laformationdecharbona?partirdelacelluloseestmarginale.Lacellulosemicrogranu-
laire produit en majorit¶e des vapeurs et tres? peu de gaz. La cellulose extraite du bois de bouleau
montre un comportement interm¶ediaire entre le comportement de la cellulose microgranulaire et
les lignines. Le xylane se distingue par une vitesse de formation de gaz sup¶erieure a? celle des
vapeurs.
Les m¶elanges synth¶etiques a? partir des trois compos¶es modeles? montrent un comportement in-
term¶ediaire. Le bois de bouleau est plus r¶eactif que la paille de bl¶e et son compt peut
^etre compar¶ea? celui de la cellulose extraite du bois de bouleau en ce qui concerne les vitesses de
perte de masse et de formation de vapeurs.
Une corr¶elation simple se basant sur l’addition pond¶er¶ee des vitesses de formation des produits
est ¶etablie et les r¶esultats obtenus sont compar¶es aux r¶esultats exp¶erimentaux.
Il s’av?ere que les inorganiques jouent un r^ole important lors de la pyrolyse : le comportement
de la paille de bl¶e, une biomasse riche en inorganiques, ne peut pas ^etre d¶ecrit par de telles
corr¶elations.
Des ¶ecarts moins signiflcatifs entre les valeurs obtenues par les corr¶elations th¶eoriques et celles
provenantdesr¶esultatsexp¶erimentauxsontobserv¶espourlesm¶elangessynth¶etiquesetleboisde
bouleau.Enconclusion,l’hypothese? d’unecorr¶elationsimple,appel¶eloipr¶evisionnelle,nesemble
pas ^etre justiߦee sur les vitesses de formation de produits.
Un mod?ele est alors d¶evelopp¶e qui permet de d¶ecrire le comportement pyrolytique a? l’aide de
courbes non lin¶eaires pour la perte de masse et la production des produits. A l’exception de la
pailledebl¶e,denouvellesloispr¶evisionnellesadditivespeuventalors^etred¶etermin¶eesdemani?ere
tres? satisfaisante au regard de la pr¶ecision des mesures exp¶erimentales.
Mots cl¶es : pyrolyse rapide, cellulose, lignine, xylane, m¶elanges synth¶etiques, paille de bl¶e, bois
de bouleau, lois pr¶evisionnelles, four a? image, mod¶elisationAbstract
The fast pyrolysis of difierent types of celluloses, lignins, xylanes as well as difierent mixtures of
these basic compounds and two real biomasses (birch wood and wheat straw) has been studied
in an image furnace. The mass loss rates of each of the studied model compounds are very
difierent, but usually higher for cellulose than xylane and higher for xylane than lignins. Lignins
begin to react before xylane and cellulose. For a given pyrolysis time, lignins produce more char
than xylane. Char formation from cellulose remains insigniflcant, close to zero. Microgranular
cellulosegivesmainlyrisetovapoursandverylittlegasisformed. Celluloseextractedfrombirch
wood shows an intermediate behaviour between microgranular cellulose and lignins. Production
rates of gases are higher than those of vapours for xylan.
Regarding the mixtures of these three compounds, an intermediate behaviour can be observed.
Birch wood is more reactive than wheat straw. Its pyrolytic behaviour is similar with that of
cellulose extracted from birch wood with regard to concerning mass loss rates and vapours for-
mation.
A simple additive correlation relying on mass loss rates and products formations rates is elabo-
rated and the results compared to the experimental values. It appears that inorganics play an
important role in biomass pyrolysis: the pyrolytic behaviour of wheat straw, a biomass which
is rich in inorganics, cannot be described by simple additive correlations. Less signiflcant gaps
between expected rates obtained by the correlations and the observed rates obtained by the
experiments are found for synthetic mixtures and birch wood. In conclusion, the hypothesis of
linear correlations cannot be supported for representing the products formations rates.
A complete mathematical model is then developed revealing a non-linear behaviour of the varia-
tions of mass losses and products formations. Except for wheat straw, new additive correlations
are then determined. The agreement with the experimental results is very satisfying with regard
to the measurements accuracies.
Key words:fast pyrolysis, cellulose, lignin, xylan, synthetic mixture, wheat straw, birch wood,
additive correlations, image furnace, modelingTable des matieres?
1 Introduction 1
2 Synthese? bibliographique 6