Pyrolyse

Définition

La pyrolyse est le processus de décomposition chimique ou de transformation d'un matériau en une ou plusieurs substances valorisables en le chauffant (thermolyse) à des températures très élevées dans un environnement sans oxygène.

La pyrolyse est le chauffage d'une matière organique, telle que la biomasse, en l'absence d'oxygène. La pyrolyse de la biomasse est généralement effectuée à ou au-dessus de 500 °C, fournissant suffisamment de chaleur pour déconstruire les biopolymères forts.

Schéma du processus de pyrolyse :

Illustration du me mécanisme global de la conversion thermochimique du charbon qui décrit le processus de production du charbon au gaz et du charbon au charbon.

Explications

La pyrolyse est le processus de décomposition thermique du charbon, où le charbon est chauffé en l'absence d'oxygène pour produire du charbon carboné, de l'huile et des gaz combustibles. Contrairement à la combustion, la technologie de pyrolyse est un processus endothermique, où l'énergie thermique nécessaire chasse l'humidité et les matières volatiles.

En général, la pyrolyse du charbon est connue pour les produits gazeux et liquides et les résidus solides et est donc couramment utilisée à des fins industrielles telles que la production de charbon de bois, de coke et de gaz de synthèse.

Pour le procédé de pyrolyse, la température de fonctionnement varie de 400 °C à 800 °C et peut être décrite en trois grandes étapes :

• torréfaction (pyrolyse légère);
• pyrolyse lente;
• pyrolyse rapide.

Pyrolyse rapide et lente

La pyrolyse est généralement divisée en pyrolyse rapide et pyrolyse lente en fonction du temps de séjour et de la température. La pyrolyse lente est réalisée avec une faible vitesse de chauffage et un long temps de séjour, et elle est généralement utilisée pour la production de biochar. La pyrolyse rapide fonctionne avec une vitesse de chauffage élevée et un temps de séjour très court, visant à produire de la bio-huile à partir de la biomasse.

Actuellement, la plupart des études à l'échelle du laboratoire pour la préparation de biochar utilisent une pyrolyse lente. Cela peut être attribué au faible coût des dispositifs utilisés pour la pyrolyse lente et au rendement élevé de biochar. Quant à l'application réelle, le biochar produit comme sous-produits d'autres procédés thermochimiques peut être utilisé.

Pyrolyse rapide

La pyrolyse rapide est la décomposition thermique de la matière en l'absence d'oxygène. Il produit des solides (char), des liquides et des gaz. Habituellement, le liquide est la cible principale de ce processus, qui peut fournir 65 à 75 % du carburant sec d'origine sous cette forme. Le liquide, connu sous divers noms, y compris la bio-huile, est une substance visqueuse et oxygénée qui contient des solides (charbon) et de l'eau et a un faible pouvoir calorifique (environ 50 % de celui de l'essence). Il est également chimiquement instable et a une teneur en oxygène aussi élevée que 40 % en poids.

La composition de la bio-huile issue de la pyrolyse comprend un grand nombre d'alcools et d'acides carboxyliques. Dans leur composition complexe, les bio-huiles ressemblent davantage aux combustibles fossiles qu'aux combustibles issus de la distillation de la biomasse, en ce sens qu'il s'agit généralement de substances pures avec seulement une fraction d'eau.

Le carburant peut être valorisé et utilisé comme carburant de transport en le mélangeant avec de l'éthanol ou du méthanol ou au moyen d'autres procédés chimiques ou thermiques, y compris la gazéification et la synthèse Fischer-Tropsch. La filtration à chaud apporte certains avantages car elle élimine la majeure partie du charbon, mais elle diminue également le rendement en liquide car les vapeurs sont craquées lorsqu'elles passent sur le charbon retenu dans le filtre.

🚩 La pyrolyse rapide conduit généralement à une quantité maximale de liquide et à une quantité minimale de gaz produits. Les produits liquides de pyrolyse rapide ne conviennent pas à l'application prévue sans aucun traitement. Les inconvénients de la pyrolyse rapide sont la formation élevée de goudron, la vitesse de refroidissement élevée des vapeurs et les liquides contenant une grande quantité de cendres et de charbon.

✅ Les bio-huiles issues de la pyrolyse rapide de la biomasse lignocellulosique sont composées d'une variété de composés aromatiques. Toutefois, à l'heure actuelle, les bio-huiles obtenues par pyrolyse rapide ne semblent pas être une source de bioessence économiquement réalisable.

Pyrolyse catalytique

La pyrolyse catalytique fait référence au processus de décomposition des déchets plastiques en huile d'hydrocarbure liquide à l'aide d'un catalyseur.

Il a été démontré que les catalyseurs jouent un rôle essentiel dans la manipulation thermochimique des déchets plastiques en ce qui concerne la promotion des réactions requises, la diminution de la température nécessaire à la réaction et l'amélioration de l'efficacité du processus. Les réactions catalytiques des produits de pyrolyse des hydrocarbures obtenus lors de la pyrolyse des plastiques sur un catalyseur acide solide comprennent l'isomérisation, la cyclisation, l'oligomérisation et l'aromatisation.

La pyrolyse catalytique utilisant un mode de traitement in situ intervient dans un seul réacteur où la charge d'alimentation et le catalyseur sont soigneusement mélangés pour obtenir un contact élevé entre le catalyseur et la vapeur de pyrolyse primaire. Les vapeurs de pyrolyse primaire diffusent presque instantanément dans les pores du catalyseur où elles sont craquées/reformées catalytiquement.

Un catalyseur pur ou un mélange catalyseur-sable remplace le caloporteur typique de sable de silice utilisé dans la pyrolyse non catalytique. Lorsque des unités à grande échelle fonctionnent en continu, telles que des réacteurs à vis sans fin ou des réacteurs à lit fluidisé circulant, le charbon accumulé dans les réacteurs doit être séparé du catalyseur avant toute régénération du catalyseur. Il s'agit d'un processus important car il empêche l'accumulation de métaux alcalins liés au charbon (composants de cendres) sur la surface du catalyseur, ce qui peut entraîner une désactivation permanente du catalyseur ou des effets négatifs sur le rendement et la qualité de la bio-huile suite à une utilisation ultérieure du catalyseu
.

La pyrolyse catalytique utilisant un mode de traitement ex situ intervient généralement dans plusieurs réacteurs. Les vapeurs de pyrolyse sont créées dans un réacteur primaire (non catalytique) et sont transportées dans un réacteur secondaire où elles sont mises en contact avec le catalyseur.

L'un des principaux avantages du traitement ex situ est que les températures des deux réacteurs peuvent être contrôlées indépendamment, ce qui donne plus de contrôle sur la distribution et la sélectivité du produit. En outre, une entrée secondaire de gaz (par exemple, de la vapeur, de l'hydrogène et du méthanol) peut être injectée dans le réacteur ex situ, ce qui pourrait améliorer le traitement catalytique.

Le temps de séjour supplémentaire de la vapeur doit être soigneusement contrôlé en raison d'un plus grand nombre d'étapes de processus qui peuvent provoquer d'autres réactions secondaires et favoriser la production d'eau et de coke indésirables, entraînant une diminution de la qualité et de la quantité de produits liquides. Les réacteurs à catalyseur secondaire peuvent être un réacteur à lit fixe/garni sous la forme de pastilles de catalyseur ou d'un tube monolithique, cela évitera d'endommager le catalyseur par attrition des particules de catalyseur qui peut exister dans les réacteurs de fluidisation en circulation et entraîner une durée de vie limitée du catalyseur.

Contrairement au mode de fonctionnement in situ, la régénération continue du catalyseur peut être effectuée en l'absence de charbon, atténuant ainsi le problème d'accumulation de métaux alcalins dans le réacteur catalytique. L'ajout d'une étape de traitement supplémentaire (réacteur catalytique) augmente les coûts d'investissement et d'exploitation, ce qui peut être considéré comme un facteur négatif du traitement ex situ.

Le mode de traitement ex situ a été suggéré comme configuration de réacteur optimale pour la pyrolyse catalytique des déchets plastiques : pyrolyse de première étape suivie d'un réacteur secondaire catalytique. Les avantages se sont avérés être un meilleur contrôle de la température de chaque réacteur, le catalyseur est protégé des particules qui peuvent conduire à la désactivation du catalyseur, un meilleur contact entre les vapeurs de pyrolyse et le catalyseur et la facilité de recyclage du catalyseur utilisé.

Effet de la température de pyrolyse

Au cours de la pyrolyse, une particule de combustible est chauffée à une vitesse définie de la température ambiante à une température maximale, connue sous le nom de température de pyrolyse. Le combustible y est retenu jusqu'à la fin du processus. La température de pyrolyse affecte à la fois la composition et le rendement du produit.

Au cours de la pyrolyse d'une biomasse, la libération de divers gaz produits change avec différentes températures. Les taux de libération varient considérablement pour les différents constituants gazeux.

La quantité de carbonisation produite dépend également de la température de pyrolyse. Les basses températures entraînent plus de carbonisation; des températures élevées entraînent moins. La quantité de carbonisation produite à partir de la pyrolyse d'une particule de bois de bouleau diminue avec l'augmentation de la température.

Liquide de pyrolyse

Le liquide de pyrolyse résulte de la décomposition thermochimique de la biomasse solide en absence partielle ou totale d'oxygène afin d'éviter la combustion. Dans certaines conditions des réactions thermochimiques, la biomasse solide donne naissance à des liquides organiques brun foncé qui résultent d'une dépolymérisation rapide de l'holocellulose et de la lignine dans la biomasse solide.

Les liquides de pyrolyse sont des mélanges complexes d'eau, de gaïacols, de catéchols, de syringols, de vanillines, de furancarboxaldéhydes, d'isoeugénol, de pyrènes, d'acide acétique, d'acide formique et d'autres acides carboxyliques. Les liquides de pyrolyse sont un produit complexe et hétérogène pouvant impliquer plusieurs centaines de composés.

Ces composés peuvent être classés dans les catégories suivantes :

• hydroxyaldéhydes;
• hydroxycétones;
• sucres et déhydroaldéhydes;
• acides carboxyliques;
• des composés phénoliques.

Selon les utilisations ciblées, les liquides peuvent être raffinés pour obtenir le produit requis.

En rapport avec "pyrolyse"

• combustion

  

  La combustion est le processus de brûler quelque chose, suite à une réaction chimique entre des substances, comprenant généralement de l'oxygène.

• thermolyse

  

  En biologie, une thermolyse consiste en une perte de chaleur chez les animaux homéothermes.

• adipolyse

  

  Une adipolyse, par opposition à l'adipogenèse, qualifie l'hydrolyse du tissu adipeux, la destruction d'une substance adipeuse composée d'adipocytes.

• autolyse

  

  L'autolyse est un processus par lequel une cellule s'autodétruit. L'autolyse est une destruction (lyse autogène) de cellules ou de tissus par leurs propres...