L’université de Lorraine, spécialiste des conversions thermochimiques de la biomasse

Article paru dans le Bioénergie International n°63 d’octobre 2019

Le site du Lermab à Epinal avec la chaufferie bois de l’école et celles du laboratoire, photo F. Douard

L’université de Lorraine développe des activités de recherche sur la conversion thermochimique de la biomasse depuis plus de 40 ans. Elle travaille sur les quatre procédés thermochimiques (combustion, gazéification, pyrolyse et liquéfaction) pour différentes applications (chaleur, électricité, H2, CH4, carburant, chimie, etc.).

Plus de trente personnes (chercheurs, doctorants, ingénieurs, techniciens) travaillent sur ces sujets en Lorraine principalement sur deux sites :

  1. l’ENSTIB (Ecole Nationale Supérieure des Technologies et Industries du Bois) à Epinal, au sein du LERMAB (Laboratoire d’Étude et de Recherche sur le MAtériau Bois) ;
  2. l’ENSIC (Ecole Nationale Supérieure des Industries Chimiques) à Nancy au sein du LRGP (Laboratoire Réactions et Génie des Procédés).

Nos équipes développent une approche filière du combustible (caractérisation séchage, broyage, compactage, etc.) jusqu’à l’impact environnemental des procédés (analyse du cycle de vie).

Nous travaillons également sur l’optimisation des procédés (bilan énergétique et qualité des produits), le développement de nouveaux réacteurs et sur les mécanismes physico-chimiques (cinétiques, formation des polluants, etc.).

Panorama des procédés de conversion thermochimique étudiés à l’université de Lorraine

Nous possédons de multiples réacteurs depuis l’échelle laboratoire (thermobalance, lit fixe, lit fluidisé, réacteur tubulaire, etc.) jusqu’à l’échelle du pilote (50 kg/h, soit environ 200 kW). Nous développons également des modélisations de procédés (sous le logiciel Aspen Plus) et des réacteurs pour les optimiser.

Activités sur la combustion

Chaudière à grille mobile pilote de 200 kW équipée avec filtre à manches, photo Lermab

Les travaux sont réalisés sous tous les types et toutes les tailles d’installations, depuis les appareils domestiques (poêles, foyers, etc.) jusqu’aux systèmes de chaudières industrielles en passant par les chaudières pour particuliers ou des développements spécifiques de type cogénérateurs par exemple.

Nous possédons des plateformes d’essais type normes : EN 303-5, 13 229, 13 240, 14 785, etc. pour caractériser et optimiser les performances environnementales et énergétiques des appareils de combustion.

Une chaudière à grilles mobiles équipée d’un filtre à manches permet également de tester la combustion de différents types de biomasses ou déchets et de réaliser des bilans précis. Ces essais permettent de valider la faisabilité d’utiliser des combustibles variés, mais aussi de déterminer les meilleures conditions de combustion. Des formations à l’exploitation des chaufferies peuvent également être dispensées sur ce dispositif.

Activités sur la pyrolyse

Nos équipes travaillent sur la pyrolyse lente qui favorise la production de charbon et sur la pyrolyse rapide pour augmenter la production de bio-huile sur une large gamme de conditions et de réacteurs (lit fluidisé, fixe, à vis, agité, batch, continu). Nous travaillons sur la pyrolyse sous vide, sous pression et sur la pyrolyse catalytique (en présence par exemple de zéolites).

Concernant la pyrolyse lente, nous étudions le prétraitement de la biomasse par torréfaction ou pyrolyse basse température avec l’objectif principal de dépolluer des bois adjuvantés, de produire des bois torréfiés ou du charbon de bois (à plus haute température).

Pilote de pyrolyse lente continue à vis, photo Université de Lorraine

Nous avons différents exemples de travaux sur la pyrolyse de revêtements de sols, de panneaux de particules, de MDF, plastiques ou de mélanges de type déchets d’ameublement.

Nous étudions les mécanismes de formation du charbon de bois (en fonction de la pression, du type de bois, etc.). Les conditions de pyrolyse sont optimisées pour obtenir une meilleure qualité de charbon (tenue mécanique, réactivité, etc.).

Concernant la pyrolyse rapide, nous étudions principalement les lits fluidisés. Différents catalyseurs sont testés (zéolites, catalyseurs naturels, etc.) pour optimiser la qualité des bio-huiles.

Pilote de gazéification à lit fluidisé dense, photo Lermab

Des bancs d’essais originaux (pyrolyse laser, four à image, four tubulaire, lit fixe, etc.) sont développés pour étudier les mécanismes de pyrolyse. Ces essais sont modélisés (transfert de chaleur et de masse dans les particules de bois, cinétiques, etc.). La calorimétrie est outil intéressant pour étudier les étapes endo- et exothermiques de la pyrolyse.

Activités sur la gazéification

Nous possédons quatre lits fluidisés denses complémentaires :

  1. un micro-lit fluidisé pour des études à l’échelle du gramme ;
  2. un petit lit fluidisé continu (100 g/h) ;
  3. un pilote laboratoire (5 kg/h) bien instrumenté, permettant un échantillonnage du lit fluidisé durant la gazéification et l’étude du craquage thermique des gaz ;
  4. un pilote démonstrateur (50 kg/h) décrivant un fonctionnement plus proche de l’échelle industrielle avec toute la chaîne d’épuration du gaz et des liquides.

Ces unités sont utilisées pour étudier et optimiser la gazéification de différentes biomasses et déchets (notamment des CSR, combustibles solides de récupération).

Salle d’expérimentation du LRGP à Nancy sur les lits fluidisés denses, photo Frédéric Douard

Différentes conditions opératoires peuvent être étudiées : media de fluidisation (sable, olivine, dolomie, catalyseurs), gaz de fluidisation (air ou vapeur d’eau), régime de fluidisation, températures, temps de séjour, craquage gaz et filtration, lavage des goudrons, etc.

Yann Rogaume dans la salle de commandes du pilote de gazéification à Epinal, photo Frédéric Douard

Les bilans matières et énergie précis sont décrits grâce à des analyses complètes des produits (gaz, goudrons, particules, cendres).

L’un des pilotes de gazéification à lit fluidisé dense, photo Lermab

Les réacteurs sont modélisés par des approches CFD (sous logiciel Fluent). Les cinétiques de conversion des gaz et goudrons sont également étudiées et modélisées.

Nous pouvons tester différents catalyseurs pour optimiser la composition des gaz et des goudrons. La désactivation et la régénération de ces catalyseurs sont également étudiées.

Activités sur la liquéfaction et l’hydrotraitement

Pour les biomasses humides (écorces, liqueurs noires, etc.), les procédés de liquéfaction hydrothermale (= dans l’eau) ou dans d’autres solvants (comme l’éthanol) peuvent présenter un intérêt pour réduire les coûts de séchage de la biomasse.

Nous proposons un ensemble de réacteurs pour étudier la liquéfaction :

  1. deux autoclaves (300 mL, 130 Bar, 500 °C et 3 L, 550 °C, 200 Bar) ;
  2. un pilote de liquéfaction continu (~500 g/h).

Plateforme d’hydrotraitement et de liquéfaction, photos Université de Lorraine

L’hydrotraitement des liquides ou solides peut être étudié en trickle bed, en autoclave (slurry) ou en réacteur continu.

Ces équipements sont présents dans une plateforme d’hydrotraitement (réseau H2 150 Bar) à haut niveau de sureté.

Analyse des biomasses et des produits

Nos laboratoires se distinguent au niveau international par un ensemble de dispositifs analytiques permettant de caractériser les biomasses et l’ensemble des produits issus des dispositifs de pyrolyse, liquéfaction, gazéification ou combustion.

Spectromètre de masse à photo-ionisation pour l’analyse en ligne des goudrons, photo Université de Lorraine

Nous possédons de nombreux analyseurs pour caractériser les combustibles : humidité, pouvoir calorifique, teneur en volatiles et carbone fixe, teneur en cendres et leur composition chimique, fusion des cendres, composition chimique élémentaire, granulométrie, analyse de la structure chimique des biomasses (par spectroscopie RMN, infrarouge, dosage chimique, etc.).

Concernant l’analyse des gaz (CO, CO2, O2, H2, hydrocarbures…), nous avons de nombreux analyseurs continus et des micro-chromatographes.
Les polluants (NO, NO2, COV, hydrocarbures, H2S, HCN, NH3, HCl, HF, métaux lourds, HAP, dioxines, furanes, PCB…) sont analysés. Nous possédons également un ensemble analytique permettant de prélever et caractériser les émissions de particules et de goudrons.

Les goudrons sont analysés par chromatographie liquide ou gazeuse couplée à de nombreux détecteurs (spectrométrie de masse, ionisation de flamme, etc.). Nous sommes également capables d’analyser les goudrons en ligne (une analyse toutes les 0,1 seconde) à l’aide d’un spectromètre de masse unique au monde.

Ces systèmes analytiques sont utilisés au quotidien sur nos bancs d’essais et sont aussi utilisés régulièrement pour réaliser des mesures sur sites industriels.

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