Ces travaux concernent l'étude d'un procédé de vapogazéification de biomasse en lit fluidisé circulant. En résultent un ensemble d'outils théoriques (modèles de simulation et de dimensionnement) et expérimentaux (pilote de vapogazéification en lit fluidisé circulant) dans le but de permettre la construction d'un procédé à dimension industrielle. Le dimensionnement, la conception et la construction d'un pilote de vapogazéification de 20 kg/h de biomasse en lit fluidisé circulant ont été réalisés. L'hydrodynamique de ce pilote a été étudiée de manière à isoler les paramètres clés permettant d'en assurer le contrôle. Les résultats obtenus lors de l'opération de pilote ont en outre permis de mieux comprendre les mécanismes d'attrition de particules polydisperses (olivine et char) en lit fluidisé circulant. Pour compléter cette étude, les phénomènes de mélange et de ségrégation des particules ont été étudiés par voie expérimentale et numérique (CFD-3D MFIX). Enfin, un certain nombre de modèles numériques (0D, 1D bulle-émulsion, bilan de population) ont été proposés pour répondre aux besoins techniques d'aide à la conception des lits fluidisés circulants appliqués à la vapogazéification de biomasse. / The vapogasification of biomass in a Circulating Fluidized Bed has been studied in order to enable the design and the erection of an industrial process. Theoretical and experimental tools have been designed to allow an engineering approach. In order to understand the hydrodynamic behaviour of the reactor, a pilot plant has been designed and erected to feed 20 kg/h of biomass. An exhaustive study of process parameters has been carried out, to determine predominant parameters for the process global control. Operating the built system has also permit to understand attrition phenomenon of polydisperse particles (olivine and char) in the Circulating Fluidized Bed. In order to complete those results, a study of mixing and segregation of those polydisperse particles has been carried out in fluidized bed with both experimental and numerical (CFD-3D MFIX) approaches. A significant contribution has also been done to numerical models assisting biomass vapogasification in Circulating Fluidized Beds design: 0D, 1D, bubble-emulsion, population balance).

La conversion thermochimique à haute température (>700°C) de la biomasse en double lit fluidisé circulant est une voie alternative aux énergies fossiles (pétrole, charbon) pour la production d’un gaz de synthèse à haute valeur énergétique, utilisable dans de nombreuses applications. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodologies et des outils théoriques et expérimentaux permettant d’accéder aux cinétiques des transformations élémentaires (pyrolyse de la biomasse, gazéification et combustion du char, craquage et reformage des goudrons) présentes dans le procédé de gazéification de la biomasse en double lit fluidisé circulant. Dans un premier temps, un mini-réacteur à lit fluidisé fonctionnant entre 300 et 1000°C avec une alimentation en gaz parfaitement contrôlée (N2, O2, H2, H2O et goudrons) a été conçu et mis au point au Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse. Un système d’échantillonnage et d’analyse de la phase gaz permet de quantifier en continu les fractions molaires des gaz incondensables et des goudrons produits. Une étude hydrodynamique et thermique a permis de déterminer les points de fonctionnement du réacteur pour chaque transformation élémentaire étudiée. Dans un second temps, les études de gazéification et de combustion du char ont été réalisées dans le mini-réacteur à lit fluidisé. L’influence de nombreux paramètres opératoires (température, pression partielle des différents constituants) a permis de comprendre la formation des différents produits et de modéliser les cinétiques de transformation du solide. Dans le cas de la combustion du char, un mécanisme réactionnel a également été établi et la cinétique obtenue en lit fluidisé a été comparée à celle déterminée par analyse thermogravimétrique. Enfin, une étude sur le reformage d’un goudron modèle (toluène) en lit fluidisé a mis en évidence l’effet de l’atmosphère réactionnelle sur le mécanisme de dégradation du toluène sur l’olivine et le char. / The thermochemical conversion of biomass at high temperature (>700°C) in Fast Internally Circulating Fluidized Bed (FICFB) is a promising alternative route to fossil fuels (oil, coal) to produce syngas which can be used in several applications. The aim of the present work is to develop methodologies as well as theoretical and experimental tools for determining the intrinsic kinetic of biomass transformations (biomass pyrolysis, char gasification and combustion, cracking and reforming of tars). Firstly, a fluidized bed reactor has been designed and built at the Laboratory of Chemical Engineering (LGC). This reactor can operate for temperatures between 20 and 1000°C with a well-defined gas supply (N2, O2, H2, H2O and tars). A sampling and analysis gas system enables the continuous quantification of the non-condensable gases and tars molar fractions. A hydrodynamic and thermal study enabled the determination of the operating conditions for each experimental study. Secondly, the char gasification and combustion was performed in the fluidized bed reactor. The influence of the operating conditions (temperature and compounds partial pressure) led to the modelling of the different solid transformation kinetics. Besides, in the case of char combustion, a reaction scheme was proposed and the kinetic obtained in the fluidized bed was compared to that obtained in a thermogravimetric analyzer. Finally, a study on the tar reforming in a fluidized bed reactor highlighted the effect of the reactive atmosphere on the reaction scheme of toluene conversion over olivine and char.

L’objectif de ce travail est d’analyser théoriquement et expérimentalement la condensation des espèces inorganiques dans une installation de gazéification de la biomasse. Lors de la gazéification de la biomasse, des espèces inorganiques sont volatilisées et se condensent lors du refroidissement du gaz de synthèse. Ces espèces sont problématiques pour le procédé et doivent être éliminées avant la synthèse des biocarburants. Une étude thermodynamique a précisé la nature et la répartition des espèces inorganiques qui sont volatilisées lors de la gazéification ainsi que des espèces qui se condensent lors du refroidissement. Un modèle de condensation des aérosols issus de la gazéification de la biomasse a ensuite été construit à partir d’une description mathématique des différents phénomènes mis en jeu (nucléation, croissance, agglomération et dépôts) Parallèlement un dispositif expérimental a été mis au point, construit et qualifié. Ce dispositif permet d’analyser la condensation d’une vapeur de KCl dans un écoulement pouvant comporter des particules de carbone se refroidissant à une vitesse de 1000 K/s. Les résultats expérimentaux obtenus ont mis en évidence une nucléation du KCl lors d’un refroidissement à 1000 K/s, la condensation de KCl sur les particules de carbone ainsi que le dépôt de KCl et des particules sur les parois. La condensation de KCl provoque une augmentation du diamètre aérodynamique des particules de carbone. La présence de particules dans l’écoulement permet de diminuer les dépôts de KCl aux parois de 25% à 40%. La comparaison de calculs simulant les expériences avec les données expérimentales a permis de quantifier les différents phénomènes et de valider le modèle. Enfin, des solutions ont été proposées pour limiter les dépôts de KCl aux parois des échangeurs dans une installation industrielle de gazéification de la biomasse / The aim of this work is to analyse theoretically and experimentally inorganic species conden- sation in a biomass gasification facility. During biomass gasification, some inorganic species are volatilised and then condense when the syngas cools down. These species can spoil the facility and thus have to be removed before the biodiesel synthesis. First, a thermodynamic study descri- bed the nature and distribution of inorganic species either volatilised during biomass gasification or condensed during cooling. Then an aerosol condensation model for biomass gasification has been developed using a mathematical description of the different phenomena involved (nuclea- tion, growth, agglomeration, deposition). Meanwhile, an experimental device (ANACONDA) has been built and qualified. This device was used to analyse KCl condensation on graphite particles as the gas cooled at 1000 K/s. Experimental results showed nucleation of new KCl particles du- ring the cooling, KCl condensation on graphite particles and deposition of KCl and particles on walls. KCl condensation causes an increase in graphite particle aerodynamic diameter. Graphite particles prevent wall deposit of KCl, which decreased from 40% to 25%. From the comparison of simulation and experimental results, the various phenomena could be quantified and the model validated. Finally, the model was used to propose solutions for limiting inorganic deposit on exchanger walls in a biomass-gasification industrial facility

Ce travail traite du rôle des interactions entre les composés inorganiques (cendres) et les matériaux du lit pendant la gazéification de miscanthus en lit fluidisé. Les objectifs étaient :-1) de décrire la transformation des inorganiques à haute température ; -2) de comprendre leur rôle dans l’agglomération ; et -3) de proposer des recommandations. Les principaux éléments inorganiques présents dans le miscanthus sont K, Si Ca, Mg, P, S et Cl. Les cendres sont constituées de silice, de carbonates et de sels. Les carbonates et les sels se décomposent et se volatilisent à 700 °C. Les Ca et Mg silicates sont les phases solides majoritaires à haute température. La phase liquide est constituée de SiO2, K2O, CaO et MgO quel que soit la nature de l’atmosphère. Les résultats expérimentaux ont été comparés aux calculs thermodynamiques. Il apparait que les bases de données FToxid et FTsalt peuvent être utilisées pour prévoir les tendances des transformations de phases en température. Les interactions entre les cendres et les matériaux du lit ont été étudiées en conditions statiques et dynamiques. Les conclusions sont les suivantes : -1) la mouillabilité des cendres sur les matériaux du lit est un paramètre clé dans l’agglomération ; -2) l’adhésion augmente dans l’ordre suivant : silice → olivine → olivine calcinée ; -3) il y a peu de différences en atmosphère oxydante ou réductrice -4) la présence de deux liquides immiscibles est observée en atmosphère réductrice. Des traces de sulfures et de résidus carbonés ont aussi été observées. Des expériences ont été effectuées à haute température, en conditions dynamiques, avec un dispositif expérimental de laboratoire et avec un pilote de gazéification à lit fluidisé. En condition dynamique, la température est un paramètre très important. Le lavage de la biomasse et l’ajout de kaolin permettent de limiter l’agglomération. Dans le gazéifieur pilote, les gros agglomérats se retrouvent préférentiellement au niveau de la grille et limite la fluidisation. Les teneurs en Fe, Cr et Al de la phase liquide sont plus importantes que celles observées en laboratoire. / This work studies the role of inorganics in ash-bed material interaction during thermal conversion of miscanthus in fluidized bed. The objectives were (1) to describe the transformation of inorganics at high temperature, (2) to reveal their role in the agglomeration and (3) to provide recommendations for miscanthus gasification in fluidized bed. The main ash forming elements in miscanthus are K, Si, Ca, Mg, P, S and Cl. The ashes are composed of silica, carbonates and salts. The carbonates and salts decompose and volatilize at 700ºC, at elevated temperature the dominant solid phases are Ca and Mg silicates. The liquid phase is composed of SiO2, K2O, CaO, MgO regardless of the atmosphere. The accuracy of thermodynamic prediction tool was evaluated with the experimental results. In conclusion, FToxid and FTsalt databases can be used to follow the trends of the main phase transformations at high temperature. The ash-bed interaction was studied under static and dynamic conditions. We found that the wetting of bed material by molten ashes is the key parameter of the agglomeration. The adhesion of particles increases in the order of sand, olivine, calcined olivine. There is no significant difference in the agglomeration mechanism in oxidizing or reductive atmosphere. However, in reductive atmosphere, two immiscible liquid phases can occur and the presence of unburnt char and traces of sulphides was also observed. The ash-bed material interaction was studied under dynamic conditions in a bench scale device and in a fluidized bed gasifier pilot. The parametric investigation showed that the operating temperature has the most significant effect on the agglomeration ratio and the biomass pre washing or the addition of kaolin are the most effective tools to reduce agglomeration risks. During the trials in the gasification pilot the large agglomerates segregated on the grid accelerating the defluidization. Compared to the laboratory tests, the liquid phase is enriched in Fe, Cr and Al.

Cette thèse concerne une étude de la gazéification du Miscanthus X giganteus (MXG). Le MXG présente de nombreux avantages (rendement, pérenne, peu d’entretien, facile à récolter…) qui lui permet d’être un candidat en terme d’énergies renouvelables. Il a fait l’objet de nombreux travaux dans le domaine agricole, mais notre étude est la première concernant sa gazéification afin de produire un gaz de synthèse. La première partie de ce travail concerne l’étude de la gazéification, effectuée dans un réacteur à lit fluidisé en présence de catalyseurs à base d’olivine. Les résultats obtenus lors des différentes campagnes d’essais ont donné d’excellents rendements en gaz (CO + H2) comparables à d’autres biomasses. La caractérisation des catalyseurs, par DRX et MEB a montré un bon comportement de l’olivine (tenue mécanique, régénération), de son côté le Niolivine a permis de meilleurs résultats. L’analyse des goudrons, par IRTF et GC/MS a montré essentiellement la présence de HAP, majoritaire à haute température (>800°C). La deuxième partie de cette étude porte sur le vaporeformage du méthyl-naphtalène, représentatif de la composition des goudrons issus de la gazéification du MXG. Le vaporeformage a été effectué en utilisant les mêmes catalyseurs qu’en gazéification. A côté de la réaction principale, cette étude a permis de mettre en évidence l’importance des réactions secondaires comme la réaction du gaz à l’eau. De plus, ces tests ont confirmé la bonne efficacité du Ni-olivine pour l’élimination des goudrons. Un mécanisme général a été proposé, mettant en jeu le rôle déterminant de l’oxygène radicalaire issu de la décomposition de l’eau / This study presents the gasification of Miscanthus X giganteus (MXG). The MXG presents many advantage (high yield, perennial crop, easily harvesting…) so it’s a good candidate in terms of renewable energy sources. Several works have been carried out in the agricultural field, but this study is the first dealing with gasification in order to produce a syngas. The first part of this work concerns the study of gasification in fluidized bed reactor with olivine-based catalysts. The results obtained in different tests gave a good gas yield (CO + H2) comparable to others biomass. The catalyst characterisation by XRD and SEM is related to the properties of olivine (mechanical strength, recycling), while Ni-olivine gave much better results. Tar analysis by FTIR and GC/MS showed the presence of mainly PAH at high temperature (>800°C).The second part of this study deals with the steam reforming of methylnaphthalene which is representative of the tar composition issued from the MXG gasification. The steam reforming performed with the same catalysts as in the case of gasification. In addition to the main reaction, this study allowed us high lights the existence of secondary reaction such as the water gas shift reaction. Moreover these tests confirmed the high efficiency of Ni-olivine for tar removing. An overall mechanism was proposed with the important role of catalytic oxygen issued from water decomposition

L’objectif de ce travail est d’étudier les phénomènes de condensation d’aérosols d’espèces inorganiques dans un procédé de gazéification de la biomasse. En effet, au cours du procédé de gazéification, la biomasse lignocellulosique se transforme entre 900 et 1500°C en un gaz de synthèse. Certaines espèces inorganiques contenues dans les cendres, sont en partie volatilisées, en particulier sous forme de chlorures (KCl, NaCl), et se condensent ensuite lors du refroidissement de ce gaz. Les composés peuvent alors provoquer corrosion, bouchage et polluer les catalyseurs utilisés lors des synthèses ultérieures. La compréhension et la modélisation de la condensation de ces espèces peut aider à leur maitrise, et pour limiter les difficultés rencontrées. Un dispositif expérimental analytique existant au laboratoire nous a permis de réaliser des essais de condensation de KCl et NaCl gazeux, dans des conditions expérimentales proches de celles rencontrées en gazéification dans un réacteur à flux entraîné, en particulier pour deux vitesses de refroidissement (1000K/s et 300K/s). L’influence des différents paramètres (présence ou pas de particules préexistantes dans l’installation comme les suies et représentées par des particules de C, concentration en sel, mélange…) sur les phénomènes qui régissent la condensation de la vapeur a été réalisée pour les deux vitesses de refroidissement. D’une manière globale, les résultats expérimentaux ont mis en évidence qu’en l’absence de particules de C, la condensation des espèces inorganiques provoque la formation de très nombreuses nouvelles particules, de très petite taille, par nucléation homogène. En présence de particules de C, cette vapeur a tendance à se condenser sur les particules préexistantes, ce qui permet de réduire les dépôts aux parois d’environ 10% en masse. Le comportement du mélange est un intermédiaire entre celui des deux espèces inorganiques élémentaires. A 300K/s un effet d’agglomération de particules lié à un temps de séjour plus long a été mis en évidence pour tous les essais. Le logiciel SOPHAEROS, développé par l’IRSN pour le calcul du transport et condensation des contaminants pour des applications nucléaires, a été adapté aux conditions expérimentales de cette étude, et été validé pour le KCl et le NaCl par comparaison calcul-expérience. Il a également permis d’expliquer les différences de comportement, d’une part, liées aux variations locales des pressions de vapeur saturante et pression partielle de sel et d’autre part, entre les deux vitesses de refroidissement. En conclusion de ce travail et afin de réduire les dépôts à la paroi, quelques pistes de solutions industrielles sont proposées / The purpose of this work is to analyze the condensation phenomena of inorganic species aerosols in a biomass gasification process. Indeed, during gasification, lignocellulosic biomass is transformed, in between 900 and 1500°C, into a Syngas. Some inorganic species initially present in the ash, are partly volatilized in chlorides (KCl, NaCl), and condense when the syngas cools down. These compounds may then, induce corrosion, blockages and deactivation of the catalysts used in further synthesis. The understanding and modeling of these species condensation may help to their management, and also to the imitation of the encountered difficulties. An experimental and analytical set-up, existing n the lab, allowed us to perform condensation tests from gaseous KCl and NaCl, under experimental condition close to the industrial gasification ones for an entrained flow reactor, especially for two cooling rates (1000 and 300K/s). The influence of the different parameters (presence or not of preexisting particles like soot and simulated by carbon particles, inorganic salts concentration, salts mixture…) on the vapor condensation phenomena, was performed for both cooling rates. Globally, the experimental results showed that, without carbon particles, the inorganic species condensation induce the formation of very small new particles by homogeneous nucleation. With carbon particles, this vapor tends to condense on the preexisting particles, which allows to reduce the wall deposits by about 10wt %. The mixture behavior is found to be in between the individual salt ones. A particle agglomeration effect is also evidenced at 300K/S, linked the increase of the residence time in the cooling part of the set-up. The SOPHAEROS software, developed by IRSN for the fission product transport and condensation in a nuclear power plant, was adapted to the experimental conditions of this work. The validation of this tool was obtained, comparing calculation and experimental results. It was then used to determine the main condensation and deposits phenomena varying the inorganic salt nature, their concentration, the presence of carbon particles and the cooling rate. It was showed that, the three main involved phenomena, occurring in the quench part of a gasification reactor, without carbon particles, are the direct wall condensation of the vapor, the homogeneous nucleation (favored at high cooling rate, 1000K/s), and gravitational settling deposits. When carbon particles are included, heterogeneous nucleation is predominant upon homogeneous one. The modelling could allow us to explain the behavior differences related to the local variation of salts partial pressure and saturation vapor pressure, as well as the influence of both cooling rates on the condensation results. Finally, some industrial possible solutions to decrease the wall deposits are proposed as a conclusion of the work

La biomasse est une des sources importantes d'énergie primaire et renouvelable. Le développement d'un procédé basé sur la conversion de celle-ci en énergie tout en demeurant respectueux de l'environnement, fait l'objet de recherches intenses aussi bien dans les mondes académique qu'industriel. La gazéification pour produire un gaz de biosynthèse est considérée comme une des options les plus prometteuses via la valorisation des sources de résidus de biomasse. La thermodynamique et la cinétique intrinsèque imposent que les réactions de gazéification de la biomasse doivent être effectuées à des températures élevées, exigeant la fourniture et la récupération de chaleur de manière efficace. Le concept de gazéification allotherme (par opposition à son pendant autotherme) offre une solution attrayante pour la mise en oeuvre à haute température du couplage de réactions fortement endothermique avec des réactions exothermiques. Toutefois, la mise en oeuvre pratique du concept sous haute température n'est pas aisée. Dans ce travail, un nouveau concept pour la gazéification de résidus de la biomasse est proposé impliquant l'hybridation de réactions à hautes températures de la gazéification et de la combustion dans un réacteur monolithique structuré. Clairement, le design et l'optimisation de ce nouveau procédé hybride requiert la compréhension précise, non seulement des phénomènes physico-chimiques de la conversion thermochimique de la biomasse, mais aussi du comportement hydrodynamique, complexe, des deux phases mises en oeuvre dans un microréacteur monolithique à lit fluidisé. À cet égard, la caractéristique hydrodynamique de la distribution des écoulements des phases gaz-solide au sein du réacteur revêt une importance cruciale pour la prédiction du comportement des processus de gazéification/combustion et pour l'examen de stratégies d'opération du procédé. En particulier, en raison de la nature complexe de l'interaction entre le gaz et les particules solides ainsi que la phase stationnaire représentée par le microréacteur monolithique, un des défis dans le design et l'opération de ces réacteurs est la prévention de la maldistribution des phases. Dans ce travail, la mécanique des fluides numériques (MFN) est mise à profit comme outil de simulation permettant d'explorer les distributions des écoulements gaz-solide dans un réacteur monolithique. L'ensemble des sections structurée 111 (le monolithe) et les parties terminales non-structurées (lits fixes aléatoires permettant l'alimentation et l'évacuation de la suspension gaz-solide) est globalement considéré dans la simulation afin de capturer les tendances lourdes des mécanismes contribuant à la dynamique gaz-solide. Les résultats des simulations ont démontré la capacité de la MFN à capturer la caractéristique de non-uniformité de l'écoulement dans ce type de géométrie

La pyrolyse et la gazéification sont les deux procédés les plus prometteurs pour une valorisation thermique des déchets organiques solides en réponse aux objectifs énergétiques environnementaux actuels et futurs. Si pour la pyrolyse, les déchets traités sont aussi synthétiques (plastiques, composites) que naturels (biomasse), pour la gazéification c'est la biomasse qui est la matière première la plus rencontrée. Les travaux expérimentaux de cette thèse ont été réalisés dans deux types d'installations : une installation à échelle laboratoire (analyseur thermique : TG, ATD, EGA) et une installation à échelle pilote (nommée four « Aubry »). Les traitements thermiques ont été effectués dans les conditions spécifiques pour la pyrolyse (atmosphère d'azote) et la gazéification (vapeurs d'eau). Les matériaux testés ont été le polychloroprène, les composés de la biomasse (hémicellulose, lignine, cellulose), seuls où en mélange, ainsi qu'un bois naturel (le bouleau) et son « modèle » (mélange en proportions équivalents de ses constituants). Deux modèles cinétiques pour la pyrolyse du polychloroprène ont été choisis de littérature et testés. La différence primordiale entre les deux modèles est leur degré de complexité. Le premier est un modèle empirique simplifié, tandis que le deuxième, très détaillé, est un modèle radicalaire Le modèle cinétique utilisé pour modéliser le processus de pyrolyse de la cellulose, pris aussi de la littérature, a montré une concordance très bonne avec nos résultats expérimentaux. L'étude hôte de la gazéification à la vapeur d'eau a nécessité des modifications de nos installations expérimentales, tout particulièrement à l'échelle pilote, pour assurer une atmosphère confinée en vapeur d'eau. Les expériences réalisées en conditions expérimentales spécifiques ont données des résultats excellents pour la composition finale du gaz de synthèse. La simulation, à l'échelle pilote, de la gazéification a été obtenue par adaptation d'un modèle existant, à la réalisation de nos conditions opératoires, prenant en compte les transferts matières et basé sur l'évolution de la porosité d'une particule sphérique équivalente. Le modèle a montré une concordance raisonnable avec nos données expérimentales. La dernière partie de cette thèse présente une étude dans lequel on compare les analyses thermiques pour les constituants purs, un modèle de bois et un bois naturel afin d'établir les interactions possibles entre ces composants lors de la dégradation thermique du bois naturel. Les résultats ont montré que pour les mélanges cellulose-lignine et lignine-hémicellulose, le premier composé inhibe la dégradation du dernier tandis que, pour les mélanges cellulose-hémicellulose, cet effet se manifeste à l'inverse. Tous les modèles testés et les résultats enregistrés dans cette thèse représentent des instruments très utiles pour l'aide au dimensionnement des installations de pyrolyse à échelle laboratoire ainsi que pour des installations de gazéification à la vapeur d'eau à échelle pilote. / The pyrolysis and gasification are the most actual techniques used for valorization of organic wastes. If for pyrolysis the raw materials are both synthetic (plastics) and natural (biomass), in the case of gasification mainly the biomass is used. The experiments presented in this thesis were carried out in two type of plants: a laboratory scale plant (thermal analyses: TGA, DTA, EGA) and a pilot scale plant (so-called “Aubry” furnace). The thermal treatments implemented both the conditions of pyrolysis (nitrogen atmosphere) and gasification (water vapors). The materials tested in the experimental part were: polychloroprene, biomass constituents (hemicelluloses, lignin and cellulose), alones and in mixture, and a natural wood (the birch) with it's “model” (a mixture of it's components in different proportions). For the polychloroprene pyrolysis, two kinetic models chosen from the published literature were tested. The difference in the two models is given by their degree of complexity. The first one was a simplified empirical model. The second one was a free-radical model. For the cellulose pyrolysis was also tested a model proposed in the literature and the model showed a good accuracy in representing our experimental data. The study of gasification at pilot scale needed an appropriate modification of the experimental set-up to create a saturated atmosphere in water vapor inside the Aubry furnace. The experimental work concerning the gasification followed a specific protocol and gave excellent results for the syngas composition. A gasification mathematical model for pilot scale was proposed and tested. This model, based on the evolution of equivalent spherical particles porosity, take supplementary into account the mass transfer. The results given by the last model were in reasonable agreement with our experimental results. The last part of this thesis presents a comparative study of the thermal analyses of pure biomass components, of a wood model and also of a natural wood. The goal is to identify the interactions that could take place between these compounds during the thermal degradation of the natural wood. Our results showed that for the mixtures cellulose-lignin and lignin-hemicelluloses the first compound inhibits the second one. For the mixtures cellulose-hemicelluloses this effect is inverse. All the kinetic models tested in this thesis are useful tools for dimensioning laboratory scale pyrolysis plants and pilot scale set-up for water vapors gasification.

La gazéification de la biomasse a été étudiée dans les conditions d'un réacteur à flux entraîné, à savoir à vitesse de chauffage et à température élevées. Des expériences ont été réalisées dans un four à chute entre 800°C et 1400°C, à partir de particules de bois de taille 0,35 mm et 0,80 mm, dans une atmosphère inerte (100% molaire de N2), ou contenant de la vapeur d’eau (25% molaire). Les expériences ont également été simulées grâce à un modèle 1D avec des résultats positifs, ce qui a permis de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu. Les solides obtenus (suies et char) ont été analysés et caractérisés. Des rendements élevés en gaz et goudrons, et un faible rendement en char ont été mesurés. Par conséquent, l'évolution de la phase volatile est déterminante pour les rendements des produits finaux. Au-dessus de 1000°C, la formation de suies devient importante. Les suies sont formées à partir de C2H2 et de HAP. En présence de vapeur d’eau, le rendement en suies est nettement moins élevé, ce qui s’explique essentiellement par le vaporeformage des précurseurs de suie, mais aussi par leur gazéification. La réaction de water-gas shift joue un rôle important dans la distribution des gaz majoritaires. La gazéification du char a été mise en évidence à 1200°C et 1400°C sous atmosphère humide. L'ensemble de ces réactions conduit à un gaz riche en H2, CO et CO2. L'équilibre thermodynamique est presque atteint à 1400°C avec une concentration de 25% molaire de H2O dans l’atmosphère. La graphitisation et la désactivation du char porté à haute température ont été mises en évidence expérimentalement. Néanmoins, ces phénomènes ont une influence négligeable sur l’évolution du rendement en char lors des expériences en four à chute. Enfin, la taille des particules n’a presque aucune influence sur les résultats expérimentaux. / Biomass gasification was studied in the conditions of an entrained flow reactor, namely at high heating rate and temperature. Experiments in a drop tube reactor were performed between 800°C and 1400°C, with wood particles of 0.35 mm and 0.80 mm size, under inert and steam containing - 25 mol% of H2O - atmospheres. These experiments were also simulated with a 1D model which gave good predictions. The collected solids, soot and char, were analyzed and characterized. This study highlights the importance of gas phase reactions on the yields of the final products, mainly gaseous compounds, in these conditions. These reactions are hydrocarbons cracking, reforming and polymerization, leading to soot formation, and water-gas shift. Char graphitization and deactivation were experimentally demonstrated. However, these phenomena have a negligible influence on char evolution in the drop tube reactor. Finally, the particle size was shown to have almost no influence on experimental results.

La production d'énergie à partir de biomasse ligno-cellulosique via la technologie de gazéification est une option intéressante dans le contexte énergétique actuel. La combinaison d‘une pyrolyse rapide décentralisée de la biomasse pour produire les bio-huiles, suivie par le transport et le vaporeformage dans des bio-raffineries, est apparue comme l'une des méthodes économiquement les plus viables pour la production de gaz de synthèse (H2+CO). L‘objectif de ce travail est de combler le manque de connaissances concernant les processus de transformation physicochimique de l‘huile de pyrolyse en gaz de synthèse utilisant la gazéification non catalytique dans des réacteurs à flux entrainé. Il s‘agit d‘un processus complexe, mettant en oeuvre la vaporisation, les réactions de craquage thermique avec formation de gaz, de tars et de deux résidus solides : le char et les suies, qui sont des produits indésirables. Ceci est suivi par le reformage des gaz et des tars, ainsi que la conversion du char et des suies. Pour mieux comprendre le processus, la première étape de la gazéification (la pyrolyse), et par la suite l'ensemble du processus (pyrolyse + gazéification) ont été étudiés. L‘étude de la pyrolyse est focalisée sur l‘influence de la vitesse de chauffe, de la température ainsi que de la teneur en cendres dans la bio-huile, sur les rendements en char, tars et gaz. A très grande vitesse de chauffe le rendement en char est inferieur à 1%. Les cendres semblent favoriser les réactions de polymérisation et provoquent la diminution du rendement en gaz. Concernant la gazéification, l'effet de la température sur le rendement et la composition du gaz de synthèse a été étudié. Une augmentation de la température de réaction implique une augmentation du rendement en hydrogène et une conversion très élevée du carbone solide. Un calcul d'équilibre thermodynamique a montré que l'équilibre a été atteint à 1400°C. Finalement les mécanismes de formation et d‘oxydation des suies ont été étudiés expérimentalement sous différentes atmosphères : inerte (pyrolyse), riche en vapeur d‘eau (gazéification) et en présence d‘oxygène (oxydation partielle). Un modèle semi empirique est proposé et validé. Il est fondé sur la chimie détaillée pour décrire les réactions en phase gaz, une seule réaction basée sur la concentration de C2H2 pour décrire la formation des suies et principalement une réaction hétérogène pour décrire l‘oxydation des suies. / Energy production from ligno-cellulosic biomass via gasification technology appears as an attractive option in the current energy context. The combination of decentralized fast pyrolysis of biomass to produce bio-oil, followed by transportation and gasification of bio-oil in bio-refinery has appeared as one of the most economically viable methods for syngas (H2+CO) production. The objective of this work is to bridge the lack of knowledge concerning the physicochemical transformation of bio-oil into syngas using non catalytic steam gasification in entrained flow reactors. This complex process involves vaporization, thermal cracking reactions with formation of gas, tars and two solid residues - char and soot - that are considered as undesirable products. This is followed by steam reforming of gas and tars, together with char and soot conversion. To better understand the process, the first step of gasification (pyrolysis) and thereafter the whole process (pyrolysis + gasification) were studied. The pyrolysis study focused on the influence of the heating rate, the final pyrolysis temperature and the ash content of bio-oil on char, tars and gas yields. At the higher heating rate char yield is smaller than 1%. In addition, ash seems to promote polymerization reactions and causes a decrease of gas yield. Concerning gasification, the effect of temperature on syngas yield and composition was studied. An increase in the reaction temperature implies higher hydrogen yield and higher solid carbon conversion. A thermodynamic equilibrium calculation showed that equilibrium was reached at 1400°C. Finally, the soot formation and oxidation mechanisms were investigated through experiments in three different atmospheres: inert (pyrolysis), rich in steam (gasification) and in the presence of oxygen (partial oxidation). A semi-empirical model was proposed and validated. It is based on detailed chemistry to describe gas phase reactions, a single reaction using C2H2 concentration to describe soot formation and one main heterogeneous reaction to describe soot oxidation.