Pyrogazéification des biomasses couplage four
tournant et réacteur tubulaire

Effet de la température

Effet de la température sur les rendements en produits

La Figure 41 rappelle les rendements massiques en produits de la pyrolyse à 800°C et rapporte les rendements observés après reformage à 1200 et 1300°C, pour un temps de séjour de 5 s. Après le reformage, environ 56% des déchets verts sont convertis en syngaz. Il en est de même pour le bois. Le rendement massique en syngaz reste inchangé avec l’augmentation de la température de reformage. Après le reformage des matières volatiles issues de la pyrolyse, le taux de conversion des goudrons a atteint 55,9% à 1200°C et 79,5% à 1300°C, pour les déchets verts. En revanche, il est de 70,8 et 98,6% à 1200 et à 1300°C respectivement pour le bois. Des différences similaires ont été observés par Chen et al. [8]. Le taux de conversion des goudrons diffère d’une biomasse à une autre. Ceci pourrait s’expliquer par le fait que les goudrons après la pyrolyse n’ont pas exactement la même composition et suivent vraisemblablement des chemins de craquage/reformage différents. Il est bien connu que la quantité et la composition chimique des goudrons dépendent du type de biomasse et des conditions opératoires. Comme vu dans le précédent chapitre, les goudrons issus de la pyrolyse des déchets verts contenaient plus de HAP que ceux issus du bois. Le taux de conversion des goudrons obtenu à 1200°C pour les deux biomasses est inférieur à celui obtenu par Wongchang et al [9]. Ceci pourrait être dû au fait qu’ils ont réalisé la pyrolyse du bois à 600°C et les goudrons contenaient moins d’espèces moins lourdes. Contrairement à ce qu’on attendait, la conversion des goudrons produit peu de gaz et beaucoup de suies. Le rendement massique en suies est de l’ordre de 10% pour les déchets verts et 8% pour le bois. La formation de suies a été observée dans les procédés de pyrolyse et de gazéification entre 1000°C et 2500°C, mais elle est très peu souvent quantifiée [5,6,10]. La formation des suies est généralement attribuée aux réactions de dégradation ou de recombinaison des goudrons [3,11]. Elle peut être due aussi aux réactions de craquage du  méthane [12,13]. Il est important de souligner que les suies pourraient être partiellement gazéifiées par le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau [10,14]. Ceci pourrait justifier la légère diminution du rendement en suies lors du reformage à 1300°C par rapport à 1200°C. L’augmentation de la température pour un temps de séjour de 5 s permet d’améliorer la conversion des goudrons mais n’est pas suffisante pour éliminer la totalité des goudrons lors de la pyrogazéification des déchets verts. De plus la réduction des goudrons impacte très peu le rendement en syngaz. Ceci laisse penser que la quasi-totalité des goudrons convertis a donné des suies et de la vapeur d’eau. 

Effet de la température sur la composition du syngaz

La Figure 42 rappelle la composition du gaz incondensable de pyrolyse à 800°C et rapporte celle du reformage à 1200 et à 1300°C des deux biomasses. Les fractions volumiques de H2 et de CO sont très élevées après le reformage à 1200°C et à 1300°C. Pour les déchets verts, la fraction volumique de H2 est passée de 28,7% après pyrolyse à 50,0% et 53,5% après le reformage à 1200 et à 1300°C respectivement. De même pour le bois, la fraction volumique de H2 est passée de 24,7% après la pyrolyse à 48,4% et 51,9% après le reformage à 1200 et 1300°C respectivement. En revanche l’augmentation de la fraction volumique de CO est relativement faible pour les déchets verts et pour le bois. La fraction volumique de CO est passée de 31,0% après pyrolyse à 35,4% et 38,1% à 1200°C et à 1300°C respectivement, pour les déchets verts, et de 35,2% après la pyrolyse à 36,9% et 38,8% à 1200°C et à 1300°C respectivement, pour le bois. L’augmentation des concentrations en H2 et CO pourrait être due à plusieurs réactions : le craquage et le vaporeformage des hydrocarbures légers (CH4, C2-C3) et lourds, la réaction de gaz à l’eau, et la gazéification des suies. Le volume de syngaz augmente fortement. Il est dominé à plus de 85% par H2 et CO. Les fractions volumiques de CO2 , de CH4 et des C2-C3 diminuent drastiquement avec l’augmentation de la température de reformage. En effet, la fraction volumique de CH4 est passée de 18,0% après la pyrolyse à 4,4% et 1,4% après le reformage à 1200°C et à 1300°C pour les déchets verts, soit un taux de conversion de plus 75%. Il en est de même avec le bois. Cette diminution de la fraction volumique de CH4 peut être attribuée aux réactions de reformage à sec (4.1) [15], de craquage et de vaporeformage (4.2 et 4.3) et à la formation de composés plus lourds comme le benzène (4.4). Nozahic [16] a montré que le craquage du CH4 en carbone est thermodynamiquement favorisé à partir de 600°C et en benzène à partir de 1100°C. La fraction volumique de CO2 est passée de 17% après la pyrolyse à 9,6 et à 6.9% après le reformage à 1200°C et à 1300°C pour les déchets verts. Cette réduction peut être attribuée aussi aux réactions de Boudouard (4.5) [17], de gaz à l’eau inversé [16], et de reformage à sec du méthane. Après le reformage, le rapport molaire H2/CO est constant entre 1200 et 1300°C. Il est de 1,4 et de 1,3 pour les déchets verts et le bois respectivement. Quant au rapport molaire H2/CO2, pour les déchets verts, il est de 5,2 et de 7,8 à 1200 et à 1300°C respectivement. Pour le bois, le rapport molaire H2/CO2 est de 4,5 et de 6,7 à 1200 et à 1300°C respectivement. Le syngaz produit peut être utilisé dans plusieurs applications y compris la biométhanation. Pour cette dernière, il est à noter que certains auteurs recommandent des rapports H2/CO et H2/CO2 de 3 et 4 respectivement afin d’obtenir une conversion complète de tout le H2, CO et CO2 en CH4. Cependant, il a été prouvé que des rapports H2/CO2 plus élevés pouvaient être utilisés en fonction des conditions de fonctionnement (température, bioréacteurs, etc.) et des microorganismes [18,19]. Pour les déchets verts, le rendement sur gaz froid est de 48,7% et 50,9% après reformage à 1200 et à 1300°C respectivement (Tableau 18). Pour le bois, il est de 46,0% à 1200°C et 48,9% à 1300°C (Tableau 19).

Effet de la température sur la composition des goudrons

Les résultats des analyses qualitatives par GC/MS des échantillons de goudrons prélevés après pyrolyse et après reformage sont donnés sur la Figure 43 pour les déchets verts et la Figure 44 pour le bois. Après la pyrolyse, les principaux composés détectés sont les aromatiques à 1 cycle et les HAP à 2 et 3 cycles. Il s’agit particulièrement du benzène, du toluène, du methylphénylacétylène et du naphtalène pour les deux biomasses. Pour les déchets verts, après le reformage à 1200°C, les composés aromatiques monocycliques détectés sont : le benzène et le p ou o-xylène. Pour les HAP, les espèces détectées sont le naphtalène, le biphénylène, le phénanthrène, le fluoranthène et l’indeno(1,2,3-cd) pyrène. Cependant, pour le bois, après le reformage à 1200°C, les composés aromatiques détectés sont le benzène, le naphtalène et le biphénylène. Après le reformage à 1300°C, le benzène n’est plus détecté dans les goudrons pour les deux biomasses. Les goudrons issus de déchets verts après reformage sont dominés par le naphtalène, suivi du biphénylène. En revanche, les goudrons issus du bois sont dominés par le p/o-xylène, le naphtalène, le biphénylène, le fluorène, le phénanthrène et le fluoranthène. La disparition des composés aromatiques à 1 cycle et l’apparition des HAP pourraient être attribuées aux réactions de recombinaison et de croissance des HAP. La croissance des HAP est très souvent décrite par trois mécanismes que sont le mécanisme en C5H5, le mécanisme d’addition de deux cycles et le mécanisme HACA (abstraction d’hydrogène et addition d’acétylène) [16,20]. Ces trois mécanismes sont présentés dans le chapitre 1.