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Bio-Matières et Energies (Bio-ME)
Edition 2013


CATAPULT


CATAlyse en Pyrolyse pour une co-valorisation de bio-hUiLes en chimie et carburanTs

Les bio-huiles : un concentré de biomasse source de molécules et de carburants alternatifs.
La pyrolyse flash est un procédé thermochimique permettant de convertir la biomasse lignocellulosique (bois, résidus agricoles…) en bio-huiles. Ces biocombustibles liquides offrent des opportunités de valorisation conjointe en molécules bio-sourcées et carburants alternatifs.

La catalyse pour améliorer l’efficacité et la sélectivité de la pyrolyse flash
Le principal verrou des procédés conventionnels de pyrolyse flash porte sur la qualité des bio-huiles plus particulièrement leur teneur en molécules fortement oxygénées qui induisent des coûts de traitement importants. L’objectif global du projet a consisté à améliorer l’efficacité de la pyrolyse par l’intégration dans le procédé d’un catalyseur qui permette (i) de produire des bio-huiles partiellement désoxygénées pour permettre leur co-processing avec des charges pétrolières ; (ii) une production plus sélective de molécules intéressantes à extraire pour la chimie.
La stratégie adoptée a consisté à développer un module innovant de post-traitement catalytique qui puisse être intégré à un procédé conventionnel pour traiter in-situ les vapeurs pyrolytiques. Les principaux enjeux ont consisté: (i) sur le plan scientifique, à mieux comprendre les mécanismes
réactionnels et l’effet des catalyseurs ; (ii) sur le plan technologique, à développer un prototype intégré à un pilote représentatif de conditions réelles ; (iii) sur le plan industriel, à définir les molécules potentiellement intéressantes pour le marché de la chimie verte, et évaluer la pertinence
technique, économique et environnementale d’une telle filière de co-valorisation chimie/énergie des bio-huiles.

Une approche interdisciplinaire et multi-échelle
Un premier axe de travail à dominante fondamentale a consisté à cribler en laboratoire différents types de catalyseurs sur molécules modèles ou vapeurs réelles pour sélectionner les phases actives les plus performantes, tester des améliorations et de mieux comprendre les mécanismes réactionnels mis en jeu. En parallèle, un prototype constitué d’un filtre à particules et d’un réacteur catalytique a été développé et intégré dans un pilote de pyrolyse existant. Les essais menés à deux
échelles ont permis d’une part de valider son efficacité en termes de séparation des particules et de désoxygénation des bio-huiles, et d’autre part de tester sa stabilité en conditions réelles. En appui de ces diverses campagnes d’essais, d’importants moyens analytiques ont été déployés afin de mieux caractériser les bio-huiles produites avec ou sans catalyseur. Des tests de co-processing ont été réalisés sur la fraction organique, tandis que des opérations unitaires d’extraction de molécules sur la phase aqueuse ont été modélisées. L’ensemble de ces résultats ont finalement permis de décrire techniquement une potentielle filière de pyrolyse catalytique permettant une co-valorisation carburants/produits chimiques, et d’en évaluer l’impact environnemental par analyse de cycle de vie.

Résultats

Le matériau catalytique sélectionné pour l’essentiel des travaux a été la zéolithe HMFI-90, dont l’activité a été démontrée à l’échelle laboratoire, mais aussi en conditions réelles sur un prototype de filtration catalytique validé à l’échelle pilote. L’activité catalytique se traduit notamment par une
désoxygénation significative de la fraction organique, qui a été séparée et testée avec succès en pilote de co-processing FCC pour la production de carburant. La fraction aqueuse contient des molécules organiques résiduelles potentiellement valorisables en chimie, via des opérations unitaires d’extraction qui ont été modélisées.

Perspectives

L’intérêt de la catalyse est démontré puisque les bio-huiles catalytiques peuvent techniquement être ajoutées directement à une charge pétrolière dans un procédé de FCC pour la production de carburants, et contribuer ainsi à la production de carburants d'origine renouvelable. Au-delà des
travaux menés sur la HMFI-90, des tests plus exploratoires ont été réalisés sur des catalyseurs de seconde génération qui méritent d’être approfondies au vu des résultats préliminaires. L’évaluation de la filière montre que la valorisation chimique de substances extraites des bio-huiles a un potentiel intéressant, tant économique qu’environnemental, mais au vu des incertitudes inhérentes à ce type d’évaluation ex ante, il est nécessaire de poursuivre ce travail pour affiner les résultats obtenus et
d’approfondir le volet économique.

Productions scientifiques et brevets

2 thèses de doctorat ont été réalisées simultanément, sur des sujets complémentaires.
- La première, à dominante fondamentale, a permis d’améliorer la compréhension du rôle des catalyseurs dans les mécanismes chimiques de conversion de molécules modèles, puis de vapeurs réelles de pyrolyse via un développement analytique fort.
- La seconde, plus appliquée, a permis d’intégrer et tester différents procédés de post-traitement à l’échelle pilote et de mieux comprendre à l’échelle laboratoire leur impact sur le rendement et la qualité des bio-huiles.
Les résultats ont donné lieu à 3 articles scientifiques et plusieurs communications orales dans des conférences.

Partenaires

CIRAD Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement

CTI Céramiques Techniques et Industrielles S.A.S.

IRCELYON - CNRS Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement

SIA SOCIETE INTEROLEAGINEUSE D'ASSISTANCE ET DE DEVELOPPEMENT

Aide de l'ANR 767 943 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2014 - 42 mois

Résumé de soumission

L’enjeu du projet CATAPULT est d’évaluer la pertinence technique, économique et environnementale d’une filière de production de bio-huiles par pyrolyse flash en vue d’une co-valorisation matière et énergie par l’association des deux applicatifs suivants:
- la valorisation chimique d’une fraction adéquate des bio-huiles, par l’extraction de molécules dédiées à la chimie verte (molécules plateforme ou à haute valeur ajoutée)
- le co-traitement (ou co-processing) de ces bio-huiles ou de leurs fractions résiduelles avec des reformats pétroliers pour la production de carburants hybrides bio-fossiles.
Le verrou technologique majeur porte sur la qualité des bio-huiles produites dans les procédés de pyrolyse conventionnels. L’objectif global du projet est d’explorer une voie d’amélioration de l’efficacité de la pyrolyse flash, par l’utilisation combinée d’un catalyseur approprié qui permette
- d’orienter la sélectivité des réactions de pyrolyse pour optimiser la production de molécules identifiées comme intéressantes et faciliter ces opérations aval de séparation/extraction ;
- d’améliorer la compatibilité des bio-huiles vis-à-vis du co-processing, en promouvant la désoxygénation des vapeurs organiques produites lors de la pyrolyse.
Sur le plan scientifique, le projet visera à mieux comprendre l’effet des catalyseurs sur les réactions de formation ou de destruction de ces molécules ou familles de molécules qui seront préalablement identifiées comme potentiellement intéressantes en vue d’une extraction/valorisation chimique, ou au contraire comme indésirables pour les opérations de traitement aval. Sur le plan technique, il mise sur le développement d’un module innovant de traitement catalytique des vapeurs de pyrolyse qui sera implanté et testé sur un pilote existant de pyrolyse flash.

Dans un premier temps, une 1ère génération de module catalytique sera conçue sur la base d’un catalyseur commercial supporté, et implantée sur le pilote afin de produire deux lots de bio-huiles référence (avec et sans traitement catalytique). Ces tests permettront par ailleurs d'évaluer le mode de fonctionnement de ce catalyseur de référence, notamment sa stabilité et son aptitude à la régénération, qui sont des données encore peu disponibles dans la littérature. Les lots de bio-huiles serviront de produits de référence pour la standardisation des méthodes analytiques et des tests de qualité comme source de molécules ou comme charge de co-traitement. Dans un deuxième temps, des développements à l’échelle laboratoire viseront à améliorer les performances du module catalytique vis-à-vis du rendement et de la sélectivité en molécules cibles. Des tests conduits sur différentes formulations de catalyseurs et via différentes méthodes d’imprégnation de support, permettront de sélectionner une seconde génération de module catalytique, par une analyse multi-critères de performances. Cette seconde génération de module catalytique sera validée sur le pilote, à l’appui de nouvelles analyses et tests de qualité des huiles. Ces données techniques serviront finalement à fournir des indicateurs économiques et environnementaux permettant de statuer quant à la viabilité de la filière.

Par ces démarches très complémentaires et avec un dialogue permanent entre l'échelle laboratoire et l'échelle pilote, le projet répond à des enjeux aussi bien scientifiques qu’industriels en couvrant de nombreux domaines de compétences tels que l’optimisation de catalyseurs, le développement de procédés intégrés et les analyses/tests de qualité des produits. Il débouchera par ailleurs sur des schémas théoriques de fractionnement des bio-huiles, qui seraient susceptibles de conduire à des développements spécifiques ultérieurs.

 

Programme ANR : Bio-Matières et Energies (Bio-ME) 2013

Référence projet : ANR-13-BIME-0005

Coordinateur du projet :
Monsieur Francois BROUST (Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.