L’Afrique de l'Ouest manque de ressources naturelles pour la production d'énergie. Les sous-produits agro-industriels comme les coques d’anacarde (CNS), les tourteaux de jatropha et de karité ont été identifiés comme des ressources disponibles et facilement mobilisables à des fins énergétiques. Ces biomasses se caractérisent par de fortes teneurs en extractibles (baume de cajou=CNSL ou triglycérides), sources de fumées toxiques en combustion. La thèse visait à évaluer la pertinence de la pyrolyse rapide comme procédé alternatif pour ces ressources, etplus particulièrement à établir l'impact des extractibles sur les rendements, la composition et la stabilité des bio-huiles. Les biomasses ont été dérivées en échantillons couvrant la gamme entière des teneurs en extractibles (tourteau déshuilé ~0% ; extractible purs 100%), lesquels ont été caractérisés et pyrolysés dans 2 dispositifs laboratoires (ATG et four tubulaire), puis en conditions réelles sur un pilote de pyrolyse rapide à lit fluidisé. On ne constate pas d'interaction significative entre la matrice solide et les extractibles lors de leur décomposition, mais des produits différents ont été identifiés. Le CNSL se volatilise entre 250 et 320°C ; plusieurs composés phénoliques ou typiques du CNSL brut se retrouvent dans l'huile de pyrolyse. En revanche, les triglycérides se décomposent entièrement entre 380 et 420°C en chaînes d’hydrocarbures linéaires. Quelques produits d'interaction avec les triglycérides et les protéines ont été identifiés. Par ailleurs, les essais sur pilote ont mis en évidence des difficultés opérationnelles dans le lit fluidisé liées aux spécificités des tourteaux, suggérant une optimisation des conditions opératoires. Pour pallier la séparation de phases constatée sur les bio-huiles, des formulations avec d'autres biocarburants ont été testées. Les émulsions obtenues sont plus homogènes, mais leur stabilité physique est encore insuffisante malgré l'ajout / Sub-Saharan West Africa lacks of natural resources, especially for energy production. By-products of agro-industry as cashew nut shells (CNS), jatropha (Jc) and shea (Sc) press cakes were identified as available resources for energetic valorisation. These biomasses are characterized by high extractive contents (cashew nut shell liquid/CNSL or triglycerides) which are the reason for toxic fumes during combustion. The thesis investigated the feasibility of flash pyrolysis as alternative process for these resources, more specifically the impact of the extractives on yields, the composition and the stability of flash pyrolysis oils. The feedstock were derived into samples covering the whole range of extractive contents (from de-oiled press cakes, ~0 wt%; to pure extractives, 100 wt%) which were characterized and pyrolysed in two laboratory devices (TGA and tubular furnace), then by applying flash pyrolysis conditions in a fluidized bed reactor. No significant interaction in-between the solid matrix and the extractives during pyrolysis were observed but different products were identified. CNSL volatises between 250 and 320°C, several phenolic compounds and typical compounds of crude CNSL were found to be present in the pyrolysis oil. In contrast, triglycerides are entirely decomposed at 380 to 420°C to give linear hydro-carbon chains. Some interaction products of the triglycerides with proteins were identified. Additionally, the experiments with the pilot plant have shown operational difficulties in the fluidized bed, which are linked to specific properties of the press cakes. Thus, further optimisations of process conditions are suggested. To overcome the observed phase separation of the pyrolysis oils mixtures with other biofuels were studied. The obtained emulsions are more homogeneous but the physical stability is still insufficient despite the addition of surfactants.

La pirolisis es un proceso termoquímico que ocurre en ausencia de oxígeno. El proceso de pirolisis tiene tres etapas: la dosificación y alimentación de la materia prima, la transformación de la masa orgánica y, finalmente, la obtención y separación de los productos (coque, aceite y gas). La planta piloto de la PUCP puede producir un biocombustible de segunda generación a partir de desechos orgánicos lo que responde al reto de un desarrollo sostenible de bioenergía en Perú. / Pyrolysis is a thermochemical process that occurs in absence of oxygen. The pyrolysis process has three stages: feeding and dosing of raw materials, transformation of the organic mass and, finally, collection and separation of the products (coke, oil and gas). The pilot plant of the PUCP can produce second generation biofuels from organic waste and this responds to the challenge of a sustainable developmentof bioenergy in Peru.

La pyrolyse flash est un procédé attrayant pour convertir la biomasse lignocellulosique en bio-huiles, intermédiaires énergétiques potentiellement valorisables en biocarburants et/ou intermédiaires chimiques. L’émergence d’une telle filière requiert la mise au point d’une stratégie catalytique efficace et innovante qui permette de diminuer la teneur en oxygène des bio-huiles. Les mécanismes de pyrolyse ont lieu à la fois au sein de la biomasse - mécanismes primaires - et en phase gazeuse - mécanismes secondaires-. Par conséquent, notre démarche a consisté à tester si l’imprégnation d’un précurseur catalytique dans la biomasse permet d’agir sur les mécanismes primaires afin de favoriser la désoxygénation. Puis, nous avons cherché à favoriser le craquage catalytique des vapeurs de pyrolyse en utilisant un catalyseur hétérogène.Nos travaux montrent que la pyrolyse de biomasse imprégnée avec des sels de nitrates - Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn et Ce - favorise principalement la dépolymérisation de la cellulose aux dépens de sa fragmentation. En outre, la présence d’anions nitrate catalyse la formation d’anhydrosaccharides déshydratés, employés pour synthétiser des molécules complexes. Après pyrolyse, un support carboné contenant des nanoparticules métalliques est obtenu et peut être valorisé pour catalyser la désoxygénation de molécules modèles en phase vapeur. Néanmoins, l’activité catalytique de ces charbons est limitée par leur faible surface spécifique, comme le montre la comparaison avec un charbon actif commercial contenant des nanoparticules métalliques. Parmi les métaux testés, le catalyseur à base de cérine s’avère très efficace pour réduire l’acidité des bio-huiles et catalyser la formation de dérivés phénoliques. De plus, ce catalyseur de craquage catalytique permet de réduire la teneur en oxygène de l’huile de pyrolyse et d’augmenter sa densité énergétique. Ce résultat encourageant suggère que le craquage catalytique pourrait être mis en œuvre en complément de l’hydrodésoxygénation dans une filière de production de biocarburants. Cette alternative permet de réduire le coût de l’hydrodésoxygénation et notamment la consommation de dihydrogène. / Flash pyrolysis of biomass is seen as a new way to produce bio-oils which can be converted to biofuels and chemicals. However, development of such pyrolysis processes requires implementation of an efficient and innovative catalytic strategy to deoxygenate bio-oils. Pyrolysis mechanisms involve both biomass degradation reactions - primary mechanisms - and gas phase reactions - secondary mechanisms -. As a consequence, our work has been directed along two research lines. First, we tested whether impregnating a catalyst precursor in the biomass can act on the primary pyrolysis mechanisms in order to promote deoxygenation. Then we sought to enhance the catalytic cracking of pyrolysis vapours using a heterogeneous catalyst.Pyrolysis experiments of impregnated biomass show that metal nitrate salts - Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn and Ce – mainly enhance cellulose depolymerisation at the expense of its fragmentation. Moreover, nitrate anions inserted in biomass promote the production of dehydrated anhydrosugars which can be used to synthesize value-added molecules. Pyrolysis of impregnated biomass also results in the formation of a catalytically active charcoal containing metal nanoparticles. Those charcoals were successfully employed to catalyse the deoxygenation of model vapour phase compounds. However, it was found that the catalytic activity of these charcoals was limited by their low specific surface area, in comparison with the measured performance measured for commercially available activated charcoal containing metal nanoparticles. Among the tested metals, the ceria-based catalyst was found both to efficiently reduce bio-oil acidity and to enhance phenol yields. Additionally, this catalytic cracking catalyst reduces the oxygen content in the pyrolysis bio-oil and increases its heating value. This encouraging result suggests that catalytic vapour cracking could be integrated in a hydrodeoxygenation-based process to produce biofuels. This option should reduce the cost of hydrodeoxygenation and in particular the hydrogen consumption.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第22428号 / 工博第4689号 / 新制||工||1732(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科都市環境工学専攻 / (主査)教授 酒井 伸一, 教授 田中 宏明, 准教授 平井 康宏 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

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Ces travaux de thèse s’intègrent au sein du projet Biocarb lancé par le Commissariat à l’Énergie Atomique dont l’objectif est de développer des procédés de production de carburants liquides ou gazeux à partir de gaz de synthèse riche en H2 et CO obtenu par gazéification de la biomasse lignocellulosique. L’objectif de cette étude est d’étudier le comportement de particules de biomasse millimétriques lors de la pyrolyse dans des conditions types de gazéifieurs industriels tels que les réacteurs à lit fluidisé ou à flux entraîné, qui fonctionnent pour des flux de chaleur élevés (105 – 106 W⋅m-2) et pour de hautes températures (>800°C). Tout d’abord, des expériences de pyrolyse sont menées à 800 et 950°C dans un four à chute de laboratoire sur des particules de bois entre 350 et 800 μm. Les résultats montrent que dans les conditions de l’étude, l’augmentation de la taille de la particule augmente seulement la durée de la pyrolyse mais ne modifie pas les rendements ou la composition du solide et du gaz au cours de la pyrolyse. Par ailleurs, des mesures basées sur la technique de PTV (Particle Tracking Velocimetry) sont réalisées à température ambiante pour caractériser la taille et la densité des particules de bois brut et de résidu, et valider une corrélation donnant le coefficient de traînée qui sert à calculer le temps de séjour des particules dans le réacteur. On constate à la fin de la pyrolyse une diminution de la densité comprise entre 70 et 80% ainsi qu’une diminution de la taille des particules entre 25 et 40%. Les résultats montrent également que la vitesse de glissement de la particule et l’évolution de ses propriétés doivent être prises en compte lors du calcul de sa vitesse. Enfin, à partir des résultats expérimentaux, un modèle unidimensionnel à coeur rétrécissant est développé pour décrire le comportement d’une particule de bois lors de sa pyrolyse. Le modèle est capable de prévoir l’évolution du rendement en solide, en gaz total et en goudrons au cours de la pyrolyse ainsi que la vitesse de glissement de la particule et son temps de séjour dans le réacteur.L’analyse de sensibilité du modèle montre que même pour des particules millimétriques, une connaissance précise de la chaleur de réaction associée à la pyrolyse, de la densité du bois et de la conductivité thermique du résidu solide est essentielle / The present work is part of a project of the French energy research centre Commissariat à l’Energie Atomique. The goal of the project is to develop processes of production of gaseous or liquid fuel from synthesis gas obtained by gasification of lignocellulosic biomass. The objective of the present work is to study the pyrolysis behaviour of millimetric biomass particles under the operating conditions encountered in fluidized bed or entrained flow gasifiers, namely high external heat flux (105 – 106 W⋅m-2) and high temperature (> 800°C). First, pyrolysis experiments are conducted at 800 and 950°C in a lab-scale drop tube reactor on wood particles between 350 and 800 μm. The results show that under the explored conditions, the increase of the particle size only increases the time required for pyrolysis but does not affect the product distribution during pyrolysis. Since in the pyrolysis experiments, the particle residence time cannot be directly measured, PTV (Particle Tracking Velocimetry) measurements are performed at room temperature to characterize the evolution of the particle size and density along pyrolysis and to validate a drag coefficient correlation for the particle residence time calculation. The optical measurements show that at the end of pyrolysis there is a decrease of particle density of 70 – 80% and of particle size of 25 – 40%. It is also proven that the particle slip velocity cannot be neglected and that the change of these particle properties must be taken into account for the calculation of the particle slip velocity and residence time. Finally, based on these experimental results, a 1D shrinking-core model is developed that is able to predict the solid/gas/tar yields and the residence time of a single particle along pyrolysis in the drop tube reactor. It is validated on both the pyrolysis and optical experiments. The model sensitivity analysis shows that even for millimetric particles, the accurate knowledge of the heat of pyrolysis, of the wood density and of the char thermal conductivity is essential

Ce travail a pour motivation de fournir des données expérimentales importantes pour l'interprétation de la chimie des ionosphère planétaires, en particulier pour le plus grand satellite de Saturne, Titan. On s'intéresse spécifiquement à la réactivité des espèces ioniques excitées. Cette thèse porte, d'une part, sur des expériences de préparation des cations (CH3+ et CF3+) sélectionnés en énergie interne par photoionisation VUV d'espèces neutres, et d'autre part, sur des réactions de cations sélectionnés en énergie interne avec des molécules, O+ avec CH4 et N+(3P) avec C3H4, C3H6 et C3H8.L'étude de la préparation des cations CH3+ et CF3+ sélectionnés dans des niveaux vibrationnels a été réalisée par la technique de coïncidence TPEPICO et du rayonnement VUV synchrotron à SOLEIL. Un spectromètre de type PFI-ZEKE qui permet d'atteindre une résolution de 0.84 cm-1 a été construit pour la réalisation d'études complémentaires avec le rayonnement laser VUV du Centre Laser de l'Université Paris Sud (CLUPS), à Orsay en France.Les expériences pour la détermination de l'influence de l'excitation du cation O+ (2S,2D,2P) sur sa réactivité avec le méthane ont été réalisées par les techniques de coïncidence TPEPICO et de guides d'ions. Elles ont été réalisées sur la ligne de rayonnement VUV DESIRS du synchrotron SOLEIL. Les études pour déterminer la constante de vitesse et les rapports de branchement entre produits des réactions de N+(3P) avec C3H4, C3H6 et C3H8 ont été réalisées par l'utilisation de la technique SIFT sur un montage de type commercial de petite taille à l'Institut de Physico-Chimie J. Heyrovský à Prague, en République Tchèque. / This work has the motivation to provide experimental data relevant to the interpretation of the chemistry of planetary ionospheres, particularly for the largest satellite of Saturn, Titan. Here we have a particular interest in studying the reactivity of excited ionic species. The first part of this work concerns the production of CH3+ and CF3+ state selected cations by VUV photoionization of neutral species and the second part, the reactions of state selected cations with molecules: O+ with methane and N+(3P) with C3H4, C3H6 and C3H8.The study of the preparation of the CH3+ and CF3+ cations in selected vibrational levels was performed by using the TPEPICO coincidence technique and VUV radiation at the french synchrotron, SOLEIL. A PFI-ZEKE spectrometer, that allowed us to obtain a resolution down to 0.84 cm-1, was constructed to conduct additional studies involving laser VUV radiation at the Laser Center of the University Paris Sud XI, at Orsay in France.Experiments to determine the influence of the O+ (2S,2D,2P) cation excitation on its reaction with methane were performed using the TPEPICO coincidence and the guide ion beam technique. These experiments were performed on the VUV DESIRS beamline at the synchrotron SOLEIL. Rate constants and products branching ratio for the reacion of N+(3P) with C3H4, C3H6 and C3H8 were measured with the SIFT technique in a small commercial apparatus at the Institute of Physical Chemistry J. Heyrovský in Prague, Czech Republic. / Este trabalho tem como motivação fornecer dados experimentais importantes para a interpretação da química de ionosferas planetárias, em particular para o maior Satélite de Saturno, Titan. Aqui temos o interesse específico pelo estudo de reatividades de espécies iônicas excitadas. Uma parte deste trabalho consistiu de experiências de preparação de cátions (CH3+ e CF3+) selecionados em energia interna via a fotoionização VUV de espécies neutras e de reações de cátions selecionados em massa e energia interna com moléculas (O+ com metano e N+(3P) com C3H4, C3H6 e C3H8).O estudo de preparação dos cátions CH3+ e CF3+ selecionados energia interna (vibracional) foi realizado pela utilização da técnica de coincidência TPEPICO com a radiação VUV do síncrotron SOLEIL. Um espectrômetro do tipo PFI-ZEKE que nos permite obter uma resolução de até 0.84 cm-1 foi construído para a realização de estudos complementares envolvendo a radiação VUV laser do Centro de Laser da Universidade Paris Sud XI, em Orsay na França.Experiências para determinar a influência da excitação do cátion O+ (2S,2D,2P) na produção de íons devido a sua reação com o metano foram realizadas com a utilização da técnica de coincidência TPEPICO e da técnica de guia de íons. Estes experimentos foram realizados na linha de radiação VUV DESIRS do síncrotron SOLEIL. Estudos de determinação de constantes de velocidade e dos produtos formados da reação N+(3P) com C3H4, C3H6 e C3H8 foram realizados a partir da utilização da técnica SIFT em uma montagem do tipo comercial de pequeno porte no Instituto de Físico-Química J. Heyrovský em Praga, na República Checa.