Catalytic cracking of toluene on a bed of biomass biochars
Craquage catalytique du toluène sur un lit de biochars issus de la biomasse
Résumé
Thermochemical conversion processes, such as pyrolysis and gasification, transform part of the biomass and waste into a solid product called biochar. While the main product in some thermochemical processes is synthesis gas and/or oils, the solid co-product or biochar cannot be neglected, and its recovery can offer economic potential for these processes. Syngas from gasification can be used as a fuel to power a heat engine or gas turbine. The tars present in these gases impose serious limitations on the development of these processes. Syngas must be cleaned, by removing or reducing tars, before use to avoid damaging engines or turbines. Low levels of tars are imposed, often less than 50 mg.Nm-3 for combustion engines and less than 0.5 mg.Nm-3 for gas turbines. The catalytic cracking of tars in the presence of a biochar is promising option, both technically and economically, and biochars appear to have excellent catalytic potential for this purpose. Understanding this type of process is crucial to its design, scale-up and optimization. We began by studying the influence of activation conditions on the textural properties (specific surface area and pore size distribution) of biochar derived from beechwood. We showed the effect of the conversion rate during activation and of the activating agent (H2O and CO2) on the textural properties, and therefore on the quality of the biochar obtained. In addition, we found a compromise between surface development and biochar consumption during activation in order to maximize the available surface area. In the second part of the study, we investigated the influence of biochar properties on the catalytic cracking of toluene. We demonstrated the effect of physical activation of biochar on toluene cracking. The toluene conversion rate increased from 28% during thermal cracking to 99% in the presence of certain activated biochars. We have shown that increasing the specific surface area of biochars after the activation step improves their catalytic activity. The porous network developed after activation would improve the diffusion of pollutants within the biochar and multiply the number of active sites available for cracking. We have also shown that the pore size distribution plays a role in the deactivation of the biochar by coke deposition during toluene cracking. Deactivation is faster for microporous biochars than for those with a mesoporous part. Finally, a numerical model of these phenomena was proposed in order to understand and characterize the toluene cracking process on a bed of activated biochar and its subsequent deactivation.
Les procédés de conversion thermochimique, pyrolyse et gazéification, transforment une partie de la biomasse et des déchets en un produit solide appelé biochar. Si le produit principal dans certains procédés thermochimiques est le gaz de synthèse et/ou les huiles, le co-produit solide ou biochar ne peut pas être négligé, et sa valorisation peut présenter un potentiel économique pour ces procédés. Le gaz de synthèse issu de la gazéification peut être utilisé comme combustible et ainsi alimenter un moteur thermique ou une turbine à gaz. Les goudrons présents dans ces gaz imposent de sérieuses limitations au développement de ces procédés. Un traitement des gaz de synthèse est ainsi nécessaire avant leur utilisation afin de rendre le gaz « propre », et ne pas endommager les moteurs ou les turbines. Par « propre », on entend des teneurs en goudrons suffisamment faible, souvent inférieure à 50 mg.Nm-3 pour les moteurs thermiques, et inférieure à 0,5 mg.Nm-3 pour les turbines à gaz. Le craquage catalytique des goudrons constitue une voie très intéressante et prometteuse, de points de vue technique et économique, et les biochars semblent détenir un excellent potentiel catalytique à ce but. Le craquage catalytique des goudrons, en présence d’un biochar, est un procédé multiphasique qui fait intervenir une phase gazeuse, le gaz de synthèse chargé en goudrons, et une phase solide, le biochar. La compréhension d’un tel type de procédé est primordiale pour sa conception, son scale-up, et son optimisation. Dans un premier temps, nous avons étudié l'influence des conditions d'activation sur les propriétés texturales (surface spécifique et distribution de la taille des pores) du biochar issu de bois de hêtre. Nous avons montré l'effet du taux de conversion lors de l'activation et de l'agent d'activation (H2O et CO2) sur les propriétés texturales, et donc sur la qualité du biochar obtenu. En outre, nous avons trouvé un compromis entre le développement de la surface et la consommation de biochar pendant l'activation afin de maximiser la surface disponible. Dans la deuxième partie de l’étude, nous avons étudié l’influence des propriétés des biochars sur le craquage catalytique du toluène, une molécule modèle des goudrons. Nous avons montré l’effet de l’activation physique de biochar sur le craquage de toluène. En effet, le taux de conversion du toluène est passé de 28% lors du craquage thermique jusqu’à 99% en présence de certains biochars activés. Nous avons montré que la hausse de la surface spécifique des biochars après l’étape d’activation améliore leur activité catalytique. Le réseau poreux développé après l’activation améliorerait la diffusion des polluants au sein du biochar et multiplierait le nombre de sites actifs disponibles pour le craquage. Nous avons également montré que la distribution de taille des pores, quant à elle, intervient dans le phénomène de désactivation du biochar, par dépôt de coke, au cours du craquage de toluène. En effet, la désactivation est plus rapide pour des biochars microporeux que ceux présentant une partie mésoporeuse. Enfin, un modèle numérique de ces phénomènes a été proposé afin de comprendre et caractériser le processus de craquage du toluène sur un lit de biochar activé et sa désactivation par la suite.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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