La pyrolyse rapide de biomasse est un procédé de conversion thermochimique qui permet de produire principalement des huiles de pyrolyse valorisables dans le domaine de l’énergie. Les espèces inorganiques initialement présentes dans la biomasse sont à l’origine de problèmes d’instabilité des huiles, de dépôts et d’encrassement. L’objectif de ce travail consiste à mieux comprendre les mécanismes de transfert des inorganiques depuis la biomasse vers les huiles dans les procédés de pyrolyse rapide.Une méthodologie est mise au point afin de quantifier la répartition des alcalins et alcalino-terreux (K, Ca, Mg et Na), identifiés comme les plus néfastes, dans les produits (charbons et huiles) issus de pyrolyse de bois et de paille de blé. Deux dispositifs complémentaires sont utilisés, pour lesquels les bilans de matière bouclent de façon très satisfaisante: un réacteur pilote de pyrolyse rapide en lit fluidisé et un réacteur laboratoire en four tubulaire. Dans tous les cas, le charbon séquestre 99% des éléments minéraux issus de la biomasse. En outre, grâce à un dispositif original de condensation fractionnée des huiles, on démontre que plus de 60% des inorganiques restants dans les huiles de pyrolyse proviennent des aérosols, ce résultat ouvrant une discussion quant à leur origine. Les teneurs en inorganiques des huiles sont par ailleurs fortement liées à la présence de fines particules de charbon mal séparées dans le procédé. Les possibilités de traitement amont ou aval sont discutées, afin de diminuer ces concentrations.Enfin, des expériences parallèles associées à un modèle permettent de décrire quantitativement les mécanismes de transfert entre les particules de charbon et une phase liquide lors du stockage d’huiles de pyrolyse. / Biomass fast pyrolysis is a promising process for the preparation of bio-oils dedicated to energy production. Inorganic species originally present in biomass are known to induce problems such as bio-oil instability, deposits and fouling. The purpose of the present work is to better understand the mechanisms of inorganic species transfer from biomass to bio-oils in fast pyrolysis processes. A methodology is developed for quantifying alkali and alkali-earth species (K, Ca, Mg, Na) distribution in the products (chars and bio-oils) issued from wheat straw and beech wood fast pyrolysis. Two complementary devices are used: a pilot plant fluidized bed reactor, and a horizontal tubular reactor. Mass balances closures are accurately achieved. 99 wt.% of the inorganic species originally contained in biomass are recovered in the chars. Thanks to an original bio-oils fractional condensation device, it is shown that more than 60 wt.% of the inorganic content of overall bio-oil is contained in the aerosols. Different assumptions of possible origins of the aerosols are discussed. Inorganic content of bio-oil is strongly connected to the presence of fine chars particles which are not efficiently separated by the cyclones, and, hence recovered in the bio-oils. The possibilities of upstream or downstream treatments are discussed in order to lower inorganic content of bio-oils. Finally, the mechanisms of inorganics transfers between char particles and a liquid phase, during bio-oil storage, are quantitatively described on the basis of side experiments associated to a model.

Ces travaux de thèse ont porté sur l'analyse de bio-huiles par chromatographie en phase supercritique (SFC) en couplage avec un détecteur UV et un spectromètre de de masse haute résolution (HRMS). Encore méconnue, cette technique est à ce jour peu répandue en comparaison avec la chromatographie gazeuse. En premier lieu, une optimisation basée sur la maximisation de la capacité de pics lors de l'analyse de la bio-huile a été mise en place. Pression, température, phases stationnaires et phases mobiles ont ainsi été sélectionnés pour parvenir à séparer un maximum de pics (soit plus d'une centaine de pics) sur la plus large fenêtre de rétention possible. Une fois la séparation maitrisée, un travail expérimental de couplage avec la spectrométrie de masse a été conduit tout d'abord sur un détecteur à simple quadripôle puis sur un détecteur à temps de vol avec un piège linéaire (IT-ToF/MS). Des expérimentations en fragmentation MS/MS ont ensuite été réalisées pour proposer une identification des espèces détectées. Le retraitement du grand nombre de données générées a aussi nécessité de développer un outil de retraitement adapté pour réaliser l'identification de formules brutes et proposer des structures développées à l'aide de la fragmentation et d'outils de comparaison ouverts, en libre accès sur Internet. La dernière partie de ces travaux a été consacrée à la comparaison des résultats obtenus sur une bio-huile par SFC-UV/HMRS, GCxGC-FI/MS et FT-ICR/MS. L'ensemble de ces travaux à vocation méthodologique a permis d'améliorer notre connaissance de ce type de couplage SFC-UV/HRM au travers d'exemples d'application liés à la caractérisation de matrices complexes ex-biomasse / This thesis focused on the analysis of bio-oils by supercritical fluid chromatography (SFC) in coupling with a UV detector and a high resolution mass spectrometer (HRMS). Still unknown, this technique is currently not widespread in comparison with gas chromatography. First, an optimization based on the maximization of peak capacity during the analysis of the bio-oil has been put in place. Pressure, temperature, stationary phases and mobile phases were selected to separate a maximum of peaks (more than a hundred peaks) on the widest possible retention window. Once separation optimized, an experimental work of coupling with the mass spectrometry was carried out first on a single quadrupole detector then on a time detector of flight with a linear trap (IT-ToF/MS). MS/MS fragmentation experiments were then carried out to propose an identification of the detected species. The reprocessing of the large number of data generated also necessitated the development of a reprocessing tool adapted to carry out the identification of molecular formulae and to propose developed structures using fragmentation and open-source comparison tools. The last part of this work was devoted to the comparison of the results obtained on a bio-oil by SFC-UV/HMRS, GCxGC-FI/MS and FT-ICR/MS. All of this methodological work has improved our knowledge of this type of SFC-UV / HRM coupling through application examples related to the characterization of ex-biomass complex matrices

La pyrolyse rapide de biomasse lignocellulosique produit des bio-huiles avec des rendements élevés mais ces liquides contiennent de nombreux composés oxygénés, une acidité élevée et de ce fait sont instables. Un hydrotraitement poussé de ces huiles est nécessaire avant qu'elles puissent être utilisées comme combustibles liquides. Afin de réduire le coût et d'améliorer les performances de l'hydrotraitement ultérieur, plusieurs stratégies ont été proposées pour réduire les teneurs en oxygène et en acides, comme l'ajout d'un lit catalytique après la pyrolyse. La conversion catalytique des vapeurs de pyrolyse permet une désoxygénation partielle avant la condensation des vapeurs. Dans ce contexte, nous avons étudié la conversion de molécules modèles, l'acide acétique et le gaïacol, sur différents catalyseurs acides afin d'identifier des phases actives performantes et de comprendre les mécanismes réactionnels. Dans un deuxième temps, un test de pyrolyse semi-continu combiné avec un réacteur catalytique a été conçu et mis en place et les meilleurs catalyseurs acides sélectionnés pour les molécules modèles ont été testés pour la conversion de bois de hêtre. Après conversion, un protocole de séparation des fractions a été appliqué et les fractions gaz, liquide et solide ont été caractérisées par différentes méthodes (?-GC, GC×GC, GPC, RMN…). Une attention particulière a été portée à la quantification des monomères dans la fraction liquide par GC×GC. Les bilans massiques atteignent plus de 90% et des bilans carbones ont été également réalisés dans les différentes fractions. L'ensemble des caractérisations et la comparaison entre pyrolyse avec et sans étape catalytique permet d'améliorer la compréhension du rôle du catalyseur dans la conversion des vapeurs de pyrolyse / Fast pyrolysis of biomass yields bio-oils with high levels of oxygen-containing components, high acidity and low stability. Further upgrading of these oils is necessary before they can be used as liquid fuels. Several low-cost strategies have been proposed for reducing the oxygen and acid contents including the catalytic conversion of pyrolytic vapors before vapor condensation. In this context, a first step in this work was the study of model molecules conversion, acetic acid and guaiacol, on different acid catalyst to understand reaction mechanisms and determine the best catalyst. In a second time, a semi-continuous pyrolysis test combined with a catalytic reactor was built and use to test the best acid catalysts found on model molecules, for the conversion of beech wood chips. A product recovery protocol was implanted to recover all the gas, liquid and solid fractions. Those fractions were characterized in depth by various techniques (?-GC, GC×GC, GPC, RMN…). A special focus was made on the quantification of monomers in the bio-oils by GC×GC. Mass balance reached 90% and carbon balance were established for some experiments. The performed characterizations as well as the comparison between catalytic and thermal experiments allowed to get more insights in the role of the catalyst on pyrolytic vapors conversion

Cette étude porte sur la production des bio-huiles à partir de la pyrolyse de bois de hêtre et celui du pin représentant respectivement les bois durs et les bois tendres. Afin de répondre à la problématique liée à la séparation des composés chimique de valeur ajoutée de la bio-huile,une étude a été effectuée sur la faisabilité d’une pré-séparation des constituants chimiques de la bio-huile à l’aide d’une pyrolyse étagée en température dans un réacteur en lit fixe de sorte à cibler la thermo-décomposition sélective des macro-composants de la biomasse (hémicellulose, cellulose et lignine). L’identification du couple macro-composant – marqueur de la décomposition est réalisée à partir du bilan en macro-composant dans le solide résiduel et l’identification par GC/MS des constituants contenus dans la bio-huile produite. Les résultats de cette partie ont montré la possibilité de la pré-séparation des fractions de dérivés de furane et des produits phénoliques, cependant le gain en sélectivité se fait au détriment du rendement total de la bio-huile. La deuxième partie de ce travail concerne l’étude de la production de la bio-huile dans les conditions de pyrolyse rapide dans un réacteur gaz/solide.Afin d’établir une relation entre les conditions opératoires de pyrolyse et la composition des bio-huiles, un outil permettant la comparaison pertinente des testes expérimentaux a été élaboré. Les expériences ont montré que le rendement de et la composition de l’huile de pyrolyse dépend essentiellement de : la nature du bois, la vitesse de chauffe et le temps de séjours effectif des particules de bois dans le réacteur. / This research study is concerned in the production of bio-oils from the pyrolysis of beech and pines wood representing the hard and soft wood, respectively. In order to resolve the problems related to the separation of high added value molecules from the bio-oil, a study was held out on the feasibility of the pre-separation of the chemical components of bio-oil using of a staged pyrolysis temperature in a fixed bed reactor in order to target selective thermal decomposition of macro-components of biomass (hemicellulose, cellulose and lignin). The identification of macro-component couples - marker of decomposition is made from the balance macro-component in the residual solid and identification by GC / MS of the chemical components contained in the produced bio-oil. The results of this part have shown the possibility of the pre-separation of furans and phenolic derivatives, despite of the gain in selectivity at the expense of overall yield of bio-oil. The second part of this work (concerns with the study of the production of bio-oil in fast pyrolysis conditions in a gas / solid reactor. To establish a relationship between the operating conditions and chemical composition of pyrolysis bio-oil, a tool for meaningfull comparison of experiments was developed. Experiments have shown that the yield and composition of pyrolysis oil depends mainly on the composition of wood, the heating rate and the effective residence time of the wood particles into the reactor.

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 / 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

La pyrolyse primaire rapide de cellulose, lignine, xylane et bois de bouleau (réel, reconstitué, lavé ou non) imprégnés par différents types de catalyseurs (KCl, MgCl2, NiCl2 et ZnCl2) est étudiée expérimentalement dans un four à image. De manière générale, l’effet résultant de l’ajout d’un catalyseur diffère selon le type de biopolymère. Il entraine cependant toujours la diminution de la vitesse de production des liquides et l’augmentation de celle des charbons (effets plus ou moins accentués selon la nature du catalyseur). La composition de phase gazeuse est également modifiée avec augmentation de la fraction volumique en H2. La nature et la morphologie des charbons dépendent également du type de catalyseur. Pour la cellulose, on montre que la quantité et la composition du composé intermédiaire liquide produit lors de la pyrolyse sont également modifiées. Des lois linéaires de comportement pyrolytique établies à partir de la simple superposition des observations faites avec les biopolymères pris isolément n’ont pu être établies avec précision, ce qui implique une phrase de modélisation. Le modèle repose sur l’écriture de bilans de matière et d’énergie au niveau des pastilles de biomasses soumises à une densité de flux de chaleur imposée. L’accord avec les résultats expérimentaux est satisfaisant mais souffre d’une mauvaise connaissance des propriétés physico-chimiques des biomasses. Les écarts proviennent également de la non prise en compte des interactions entre les biopolymères au sein des biomasses réelles. Des actions de recherche dans ces domaines pourraient être recommandées / The fast primary pyrolysis of cellulose, lignin, xylan and birch wood (natural, reconstituted, washed or not) impregnated by different types of catalysts (KCl, MgCl2, NiCl2 and ZnCl2) is experimentally studied in an image furnace. The effect of a catalyst addition differs according to the type of biopolymer. However, the decrease of the liquids and the increase of the char production rates are always observed (the effects are more or less stressed according to the nature of the catalyst). The composition of the gaseous phase is also modified with an increase of the H2 volume fraction. The nature and morphology of chars depend on the type of catalyst. The quantity and composition of the intermediate liquid compound formed during the pyrolysis of cellulose are also modified. It’s difficult to establish linear laws describing the pyrolytic behavior of biomasses from the simple overlapping of the observations made with basic biopolymers, implying the need of a modelling study. The model is based on mass and energy balances written at the level of biomasses pellets subjected to a given heat flux density. The agreement with the experimental results is quite good but suffers from a bad knowledge of the physicochemical properties of the biomasses. It is anticipated that the model could give better results if the influence of the interactions between basic biopolymers within the natural biomasses could be estimated and taken into account. Some researches in these domains could be recommended