Optimisation de la gazéification de la biomasse : maximisation de l’hydrogène et réduction des goudrons

Introduction : La gazéification est un processus de conversion à haute température des matières organiques en biogaz, souvent appelé gaz de synthèse. Ce dernier est composé majoritairement de CO, H₂, CH₄ et de CO₂. Les biomasses visées dans ce projet sont les anas de lin, coproduits de l'industrie linière et disponibles en grande quantité en Normandie. La problématique qui sera traitée dans ce travail est l'amélioration de la qualité du gaz de synthèse par l'augmentation de la fraction d'hydrogène et la réduction de la concentration des goudrons. En effet, un des principaux verrous technologiques dans la filière de la gazéification de la biomasse est lié à la formation de goudrons, des composés organiques complexes générés lors du processus. Ces goudrons posent des problèmes majeurs, notamment en limitant l'utilisation directe du gaz de synthèse dans les applications énergétiques en raison de leur tendance à encrasser les équipements et à réduire leur efficacité.

Biomasse utilisée :

L’anas de lin utilisé dans ce travail est une biomasse lignocellulosique déjà caractérisée dans plusieurs travaux précédents (Mohabeer 2018, Boukaous 2020, Martes 2025). La biomasse est broyée et tamisée à un diamètre moyen de l’ordre de 1 mm pour assurer la reproductibilité des manipulations. »

Catalyseurs utilisés dans la gazéification

À ce jour, de nombreux catalyseurs ont été développés et étudiés pour l’élimination des goudrons lors de la gazéification. Ces catalyseurs incluent des minéraux naturels tels que la dolomie (Yu et al., 2009), les coquilles (Zabihi et al., 2024) et l’olivine (Kessas et al., 2021), des espèces alcalines (Yu et al., 2021) et des catalyseurs à base de nickel (Cerone et al., 2024). En général, des supports catalytiques comme la dolomie, l’olivine, les zéolithes et l’Al2O3 sont couramment utilisés. Parmi eux, l’olivine et la dolomie se distinguent par leur faible coût et leur disponibilité relative dans différentes régions (Di Felice et al., 2010). Cependant, ces supports catalytiques présentent une activité limitée pour la conversion des goudrons et sont sujets à une désactivation rapide due à la formation de coke. De plus, la préparation de ces catalyseurs est souvent coûteuse en temps et en énergie et repose fréquemment sur des produits chimiques, ce qui limite leur durabilité et leur applicabilité à grande échelle (Di Felice et al., 2010).

Charbon comme support catalytique dans la gazéification

Le charbon issu de la pyrolyse ou de la gazéification de la biomasse a démontré une bonne activité catalytique pour la décomposition des goudrons ((Abu El-Rub et al., 2004; Martes, 2025). Ce matériau présente une certaine activité catalytique intrinsèque grâce aux éléments inorganiques présents à sa surface, notamment le potassium et le fer (Hu et al., 2024).

Wang et al. (Wang et al., 2017) ont rapporté que l’utilisation de charbon chaud pour le reformage catalytique des volatils augmente le rendement en gaz de synthèse sec tout en réduisant le rendement des produits liquides de pyrolyse et en allégeant le poids moléculaire des huiles. Feiqiang Guo et al. (Guo et al., 2018) ont également constaté que les catalyseurs à base de potassium supportés par du charbon possédaient une bonne activité pour l’élimination des goudrons, grâce à la capacité d’absorption du charbon et aux propriétés catalytiques du potassium. Min et al. (Min et al., 2011) ont montré que le charbon, en plus de disperser efficacement les catalyseurs, interagit avec eux pour améliorer leur activité lors du reformage à la vapeur des goudrons.

Dans le cadre de cette proposition

Dans cette étude, nous avons choisi d’utiliser exclusivement le charbon dans son état brut, sans aucune modification préalable. Bien que l’utilisation de catalyseurs supportés par des métaux nobles soit prometteuse à l’échelle de laboratoire, sa mise à l’échelle industrielle semble peu viable. En effet, le charbon, étant consommé pendant la réaction (gazéification par CO₂/H₂O) et sujet à la désactivation, rend la régénération du catalyseur complexe, voire impossible. Cela limite considérablement l’applicabilité des systèmes impliquant des métaux coûteux. Ainsi, notre approche se concentre sur l’utilisation directe du charbon produit dans son état brut. Il a été démontré dans la littérature, ainsi que dans nos travaux, que le benzène est le seul composé stable en présence de charbon. Ce composé, bien qu’il subsiste lors de la gazéification, a un effet limité sur la valorisation du gaz de synthèse dans un moteur thermique. Par conséquent, notre objectif est d’évaluer les performances du charbon brut comme catalyseur pour maximiser la conversion des goudrons tout en minimisant les contraintes liées au traitement et à la régénération du charbon par le remplacer localement. Cette solution est basée sur l'optimisation du fonctionnement d'un lit fluidisé à base de charbon et de gérer la consommation de charbon lors du processus par des réactions comme la gazéification par CO₂ et vapeur d'eau et également par sa désactivation. Idéalement, le charbon désactivé sera envoyé dans un réacteur de combustion afin d'être brûlé et pour assurer la chaleur nécessaire pour la réaction de gazéification. Cette étude s’inscrit dans la continuité des travaux précédents menés au sein de notre groupe de recherche (Reyes Alonzo, 2020; Reyes et al., 2021b, 2021a).