Performance énergétique de la carbonisation hydrothermale. Etude des procédés de pyrolyse et de gazéification des hydrochars - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Energy performance of hydrothermal carbonization. Study of hydrochar pyrolysis and gasification processes

Performance énergétique de la carbonisation hydrothermale. Etude des procédés de pyrolyse et de gazéification des hydrochars

Résumé

Hydrothermal carbonization is a promising route for the energetic valorization of wet biomass. It produces mainly a carbonaceous fuel material called "hydrochar". The objective of this thesis is to study the potential of hydrochars as energy carriers. The hydrochars in this study are obtained from the HTC of two biomasses considered as agricultural waste: olive pomace (GO) and Agave Salmiana bagasse (AB). The chemical composition of these biomasses is an important factor for thermochemical processes. A comparative study of analytical methods applied for biomass constituents' quantification is conducted. A strategy for the choice of the method is also suggested. In addition to the chemical composition, the operating conditions also have an impact on the process studied. A Doehlert plan is used to evaluate the effects of temperature (T) and treatment duration (t) on the properties of GO and AB hydrochars. Optimal conditions targeting higher calorific values, high mass and energy yields, are determined. An overall energy assessment of HTC is also carried out. Three scenarios regarding the becoming of HTC's liquid phase are studied. In addition, the association of Doehlert design and response surface methodology (RSM) allowed the definition of positive energy balance ranges for each scenario. Furthermore, pyrolysis and gasification can be combined with HTC to convert hydrochars into a gas rich in H2, CO and CH4. Two hydrochars are selected for this study based on the severity of the HTC process. Their behavior is studied under different operating conditions, such as high heating rates (100 to 800°C/min) and different reactive atmospheres. A kinetic analysis of the pyrolysis of these hydrochars is also carried out using isoconversional models. It demonstrates that linearity relations are obtained using the applied models, allowing for the determination of apparent activation energies for solid conversion rates ranging from 0.1 to 0.7. Furthermore, it was shown that HTC affects hydrochar breakdown during pyrolysis, with changes depending on the input material. Hydrochar derived from GO, for example, is more prone to pyrolysis than hydrochar derived from AB. Finally, high heating rates and reactive atmosphere influence the products yields and composition of the syngas. In response to these aforementioned conditions, each raw material shows distinct tendencies. Hydrochars with a lower carbon content yield syngas with the highest low heating value. This confirms HTC's positive effect on the pyrolysis and the gasification of GO and AB.
La carbonisation hydrothermale (HTC) est une voie prometteuse de valorisation énergétique de la biomasse humide. Elle permet de produire notamment un matériau combustible carboné appelé «hydrochar». L'objectif général de cette thèse est d'étudier le potentiel des hydrochars comme vecteurs énergétiques. Les hydrochars de cette étude sont obtenus par l'HTC de deux biomasses considérées comme déchets agricoles : les grignons d'olives (GO) et la bagasse d'Agave Salmiana (AB). La composition chimique de ces biomasses représente un facteur important pour les procédés thermochimiques. Une étude comparative de méthodes analytiques pour quantifier les constituants de la biomasse est réalisée. Une stratégie pour le choix de la méthode est également proposée. Outre la composition chimique, les conditions opératoires ont également un impact sur le procédé étudié. Un plan Doehlert est employé pour évaluer les effets de la température (T) et de la durée de traitement (t) sur les propriétés des hydrochars de GO et d'AB. Les conditions optimales ciblant des pouvoirs calorifiques supérieurs, des rendements massiques et énergétiques élevés, sont déterminées. Une évaluation énergétique globale de l'HTC est en outre réalisée. Trois scénarios sont étudiés visant le devenir de la phase liquide issue de l'HTC. Des méthodologies de plan d'expériences et d'analyse de la surface de réponse ont permis de définir les plages de bilan énergétique positif pour chaque scénario. Par ailleurs, la pyrolyse et la gazéification couplées à l'HTC est une option intéressante permettant de convertir les hydrochars, en gaz riche en H2, CO et CH4. Deux hydrochars sont sélectionnés pour cette étude en fonction de la sévérité de l'HTC. Leurs comportements sont évalués sous des conditions opératoires variables telles que des vitesses de chauffe élevées (100 à 800°C/min) et des atmosphères réactives différentes. Une étude cinétique de la pyrolyse de ces hydrochars basée sur des modèles isoconversionnels est également menée. Elle montre que des relations de linéarité sont obtenues avec les modèles appliqués permettant de déterminer des énergies d'activation apparentes pour des taux de conversion du solide compris entre 0,1 et 0,7. De plus, il s'avère que l'HTC influence la décomposition de l'hydrochar pendant la pyrolyse, avec des variations selon la matière première. Par exemple, l'hydrochar provenant de GO est plus susceptible à la pyrolyse que celui provenant d'AB. Finalement, les vitesses de chauffe élevées et la nature de l'atmosphère réactive ont également un impact sur les rendements des produits et la composition du syngas. Chaque matière première présente des variations propres en réponse aux paramètres susmentionnés. Les hydrochars les moins carbonisés produisent du syngas avec un pouvoir calorifique inférieur le plus élevé. Cela confirme l'effet bénéfique de l'HTC sur la pyrolyse et la gazéification de GO et AB.
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Dates et versions

tel-04508783 , version 1 (18-03-2024)

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  • HAL Id : tel-04508783 , version 1

Citer

Jean-Noël Semaan. Performance énergétique de la carbonisation hydrothermale. Etude des procédés de pyrolyse et de gazéification des hydrochars. Autre. Université d'Orléans, 2023. Français. ⟨NNT : 2023ORLE1037⟩. ⟨tel-04508783⟩
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