Là pyrolyse de la biomasse c’est une technique connue depuis Préhistoire car il est prouvé que les Néandertaliens savaient produire de la poix par pyrolyse de l’écorce de bouleau, qu’ils utilisaient pour coller leurs outils en pierre. Depuis des temps immémoriaux, les hommes (cette fois les sapiens autoproclamés) produisaient du charbon de bois dans des fours primitifs, dans lesquels on introduisait une très petite quantité d’air pour maintenir la température nécessaire à la carbonisation. Les gaz libérés se sont dispersés dans l’atmosphère, provoquant les premiers événements de pollution atmosphérique de l’histoire. Cette technique est encore utilisée – malheureusement – dans de nombreuses régions sous-développées d’Afrique, d’Amérique latine et d’Asie du Sud-Est.
Dans le’antiquité C’est dans le Moyen-âge il est devenu courant de refroidir les gaz de pyrolyse pour collecter la poix, utile pour l’imperméabilisation des coques de navires.
Depuis Le dix-septième siècle l’utilisation de fours portatifs en fer est devenue fréquente, avec lesquels il était possible de récupérer de la poix, du goudron – à partir desquels on obtenait “l’esprit de bois” (méthanol), de la térébenthine, du vinaigre de bois et de la créosote – et des gaz non condensables étaient brûlés pour chauffer le four. et pour maintenir la température du processus.
A partir de milieu du XXe siècle la pyrolyse de la biomasse devient l’une des nombreuses techniques candidates pour remplacer l’utilisation d’hydrocarbures fossiles. Là recherche se concentre sur la maximisation de la production de huile bio, un liquide noir très similaire – mais superficiellement – au pétrole. Le critère « orthodoxe » dans la conception des systèmes de pyrolyse est ainsi consolidé : la biomasse doit être chauffée absolument en évitant l’entrée d’oxygène, car ce n’est qu’ainsi que l’on peut maximiser la production de bio-huile, sinon le précieux carbone sous forme de CO est perdu.2 écho.
Donne le lui Années 70 Au XXe siècle, toutes les recherches sur la pyrolyse ont porté sur l’influence de la vitesse de chauffage plus ou moins grande de la biomasse – pyrolyse sèche, lente ou rapide – ou sur l’ajout éventuel de catalyseurs, ou sur l’utilisation de caloporteurs – sable ou sphères métalliques – ou eau sous pression – pyrolyse humide, également appelée liquéfaction hydrothermale – pour améliorer le transfert de chaleur de la chambre de combustion externe, alimentée par des gaz non condensables, vers la biomasse solide. Quoi qu’il en soit, la recherche a toujours été orientée vers la préférence à la production de gaz ou à celle de bio-pétrole, dans certains cas celle de biochar, en fonction des pressions politiques du moment, dictées en fin de compte par le prix du pétrole.
Malgré l’apparente simplicité du procédé de pyrolyse, la bio-huile n’a jamais connu un véritable « boom » de production. À la fin Rapport sur les biocarburants les huiles de pyrolyse disponibles (Eurobserv’ER 2019) ne sont même pas mentionnées, on peut donc en déduire que leur production représente une fraction infinitésimale.
Le raison est que la bio-huile ressemble au pétrole uniquement en raison de sa couleur noire et de sa viscosité élevée. D’un point de vue chimique, toutefois, sa composition est complètement différente. Certes, l’absence de soufre est un avantage par rapport au pétrole brut fossile, mais de par sa nature même, la bio-huile contient jusqu’à 40 % d’oxygène, ce qui la rend corrosive, en plus d’abaisser son pouvoir calorifique, donc impropre à une utilisation sous forme liquide. biocarburant. Le pétrole brut est constitué d’un cocktail d’hydrocarbures tous différents mais avec un point commun : ils ne sont pas solubles dans l’eau et peuvent être séparés par distillation fractionnée. La bio-huile, quant à elle, est composée de deux fractions : l’une soluble dans l’eau, donc facilement séparable, et l’autre insoluble dans l’eau mais plus ou moins soluble dans les solvants selon qu’ils sont polaires ou apolaires.
Généralement, le bio-huile de pyrolyse Et composé depuis:
- 20-25% d’eau en émulsion ;
- 25 à 30 % de composés phénoliques ;
- 45-55% de sucres anhydres.
Le processus de fractionnement devient donc beaucoup plus complexe et coûteux en énergie que la distillation du pétrole. Tout cela devrait suffire à abandonner la poursuite de ce qui semble être une impasse technologique. Néanmoins les chercheurs ne jettent pas l’éponge. Ayant abandonné le mirage du substitut du pétrole, c’est justement la composition très variée de la bio-huile qui la rend à nouveau intéressante du point de vue de bioraffineriec’est-à-dire dans la production d’ingrédients industriels de niche difficiles à synthétiser.
Trois c’est façons possible (1) :
- Pyrolyse rapidesuivi de condensation de toute l’huile et séparation ultérieure des fractions avec de l’eau.
• Le fraction soluble dans l’eau, il est représenté par des sucres pyrolytiques. Ce sont des sucres anhydres (c’est-à-dire sans groupements OH, perdus lors de la décomposition pyrolytique de la cellulose). Le plus intéressant d’un point de vue industriel est le lévoglucosan, demandé par l’industrie pharmaceutique.
• Le fraction insoluble on l’appelle lignine pyrolytique ou fraction phénolique. La lignine pyrolytique peut être utilisée telle quelle dans la formulation de panneaux de particules de bois et d’isolation en mousse de polyuréthane, ou elle peut être soumise à une hydrogénation supplémentaire pour éliminer l’oxygène, obtenant ainsi des solvants et des résines. - Pyrolyse rapidesuivi de condensation fractionnée. Le procédé ressemble à celui utilisé dans la distillation du pétrole : le gaz de pyrolyse est envoyé dans une colonne de distillation fractionnée, dans laquelle les différents composés se condensent à différentes températures. De cette manière, on obtient trois fractions : des sucres pyrolytiques, des phénols et une fraction aqueuse acide, à partir de laquelle, par distillation ultérieure, il est possible de séparer le méthanol, l’acide acétique et d’autres acides organiques.
- Pyrolyse catalytique rapide. Selon le catalyseur utilisé, il est possible de maximiser la production d’un composé spécifique.
Il existe une quatrième approche, à laquelle nous consacrerons un article spécifique, qui consiste àhydrogénation de toutes les fractions de bio-huiles, afin d’obtenir un véritable cocktail d’hydrocarbures traitables – du moins en théorie – avec les infrastructures pétrochimiques existantes (2).
Jusqu’à présent, nous avons présenté le notion « orthodoxe » de la pyrolyse, majoritairement adoptée par les chercheurs européens, dont le « dogme » consiste à garantir l’absence absolue d’oxygène dans l’ensemble du processus. De l’autre côté de l’Atlantique, cependant, un approche « hétérodoxe » (3), qui n’est autre que le retour au principe de fonctionnement des anciens fours pour produire du charbon, mais dans une perspective de bioraffinage.
Selon l’approche américaine, les composés ayant la plus grande valeur marchande sont les sucres, leur production doit donc être maximisée. Et contrairement à ce que pourrait laisser penser l’intuition, la qualité et la quantité des sucres de pyrolyse peuvent être améliorées en introduisant des quantités contrôlées d’oxygène dans le réacteur : un processus appelé pyrolyse autothermique car la chaleur n’est pas fournie par une source externe, mais par l’oxydation partielle de la biomasse elle-même.
Éviter que l’oxydation partielle de la biomasse produit du CO et du CO2 plutôt que les composés souhaités, ils doivent être accomplis deux conditions:
- Là quantité d’oxygène elle doit rester entre 5 et 8% (selon la biomasse utilisée).
- ET un prétraitement est nécessaire d’éliminer la fraction minérale de la biomasse (les cendres) car le sodium, le potassium et le fer catalysent l’oxydation du carbone en CO et CO2. Cela signifie que la biomasse doit être finement broyée et lixiviée avec une solution d’acide minéral (chlorhydrique ou sulfurique, qui sont les moins chers), puis lavée à l’eau déminéralisée, séchée et ensuite seulement soumise à une pyrolyse. L’influence du prétraitement est notable : la pyrolyse de la biomasse non traitée donne 1 à 2 % de sucres ; le traitement à l’acide sulfurique augmente le rendement à 12-13 % ; un prétraitement au sulfate ferreux donne des rendements de 9 à 15 % (sur base sèche). Et ce, que le processus soit « orthodoxe » ou « hétérodoxe ».
Le principal avantage de la pyrolyse autothermique est la productivité du système. Dans un procédé classique, la productivité augmente avec le carré du diamètre du réacteur, tandis qu’avec un procédé autothermique, la productivité est fonction du cube du diamètre. Il en résulte un réacteur plus petit et donc un coût d’installation inférieur pour une production quotidienne donnée.
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Bibliographie
(1) Monique Bernardes Figueirêdo, Produits chimiques et matériaux issus de la pyrolyse rapide de la biomasse, webinaire AIE Bioénergie, 09 avril 2024.
(2) Lachos-Perez D, Martins-Vieira JC, Missau J, Anshu K, Siakpebru OK, Thengane SK, Morais ARC, Tanabe EH, Bertuol DA. Revue sur la pyrolyse de la biomasse avec un accent sur les techniques de valorisation de la bio-huile. Analytique. 2023 ; 4(2):182-205.
(3) Robert C. Brown, Hétérodoxy dans la pyrolyse rapide de la biomasse, de l’énergie et des carburants 2021 35 (2), 987-1010.
