Development of a microwave pyrolysis process applied to flax shives and sargassum : product characterization and wave-matter interaction
Développement d'un procédé de pyrolyse sous micro-ondes appliqué aux anas de lin et aux sargasses : caractérisation des produits et interaction onde-matière
Résumé
Microwave pyrolysis is a relatively new and exciting option for biomass residues treatment in terms of energy efficiency and high-quality products. During this thesis, two types of biomass, Sargassum, and Flax shives, were studied under microwave pyrolysis conditions. Preliminary studies were carried out to better understand the influence of temperature, moisture content, dielectric properties, biomass, and its pyrolysis products composition on the process. It was found that the thermochemical degradation of Sargassum occurs at a lower temperature in comparison to Flax shives; the increase in the moisture content increases the capability of biomass to convert microwaves into heat; and also, that Flax shives bio-oil and Sargassum bio-char were found to have interesting dielectric properties. The incident power, irradiation time, flow rate, and biomass load were the main factors considered to evaluate the effect of operating conditions on the microwave pyrolysis products. The liquid bio-oil samples and the non-condensable gas samples were recovered from each experiment and analyzed through gas chromatography-mass spectrometry (GC–MS) and gas chromatograph by flame ionization detection (GC-FID) to identify and quantify the different molecules present. The three phases of pyrolysis, dehydration, primary devolatilization, and passive lignin/residue degradation were identified during microwave irradiation. Bio-oil production was found to depend on two main parameters: the energy absorbed and the internal heating rate of the system. High heating rates of at least 120 °C/min and up to 200 °C/min provided the best bio-oil yields, and such rates can only be achieved by microwave technology by internal heating. The incident power, irradiation time, flow rate, and biomass load were the main factors considered to evaluate the effect of operating conditions on the microwave pyrolysis products. The liquid bio-oil samples and the non-condensable gas samples were recovered from each experiment and analyzed through gas chromatography-mass spectrometry (GC–MS) and gas chromatograph by flame ionization detection (GC-FID) to identify and quantify the different molecules present. The three phases of pyrolysis, dehydration, primary devolatilization, and passive lignin/residue degradation were identified during microwave irradiation. Bio-oil production was found to depend on two main parameters : the energy absorbed and the internal heating rate of the system. High heating rates of at least 120 °C/min and up to 200 °C/min provided the best bio-oil yields, and such rates can only be achieved by microwave technology by internal heating. Also, a scheme to scale up a microwave pyrolysis process is proposed. Various factors such as the cavity design, dielectric properties of the treated material, electromagnetic compatibility of the system, and biomass circulation are discussed, sorting the desirable conditions for continuously operated microwave reactors.
La pyrolyse par micro-ondes est une option relativement nouvelle et intéressante pour le traitement des résidus de biomasse en termes d'efficacité énergétique et de produits de haute qualité. Au cours de cette thèse, deux types de biomasse, les sargasses et les anas de lin ont été étudiés dans des conditions de pyrolyse micro-ondes. Des études préliminaires ont été menées afin de mieux comprendre l'influence de la température, de l'humidité, des propriétés diélectriques et de la composition de la biomasse et de ses produits de pyrolyse sur le procédé en général. Il a été constaté que la dégradation thermochimique des sargasses se produit à une plage de température inférieure à celle des anas de lin. En outre, l'amélioration de l'absorption des micro-ondes par la teneur en humidité a été étudiée, où une augmentation de la teneur en humidité a augmenté la capacité de la biomasse à convertir les micro-ondes en chaleur. La bio-huile d'anas du lin et le biochar de Sargasses se sont avérés avoir des propriétés diélectriques intéressantes. La puissance incidente, le temps d'irradiation, le débit et la charge de biomasse ont été les principaux paramètres considérés afin d'évaluer l'effet des conditions opératoires sur les produits de pyrolyse micro-ondes. Les échantillons de bio-huile liquide ainsi que les échantillons de gaz non condensables ont été récupérés de chaque expérience et analysés par chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (GC-MS) et chromatographie en phase gazeuse par détection par ionisation de flamme (GC-FID) pour identifier et quantifier les différentes molécules présentes. Les trois phases de pyrolyse, déshydratation, dévolatilisation primaire et dégradation passive lignine/résidus, ont été identifiées lors de l'irradiation micro-ondes. La production de bio-huile s'est clairement avérée dépendre de deux paramètres principaux qui sont l'énergie absorbée et le taux de chauffage interne du système. Des vitesses de chauffe élevées d'au moins 120 °C/min et jusqu'à 200 °C/min ont fourni les meilleurs rendements en bio-huile et de telles vitesses ne peuvent être atteintes que par la technologie micro-ondes par chauffage interne. La qualité du bio-huile et du gaz en termes de familles chimiques ont également été discutée en utilisant une analyse en composantes principales (ACP) afin de visualiser la tendance globale des données et de détecter les principaux facteurs qui favorisent la formation ou la dégradation de familles chimiques spécifiques dans les échantillons de bio-huile ou de gaz non condensables. En outre, un schéma de mise à l'échelle d'un procédé de pyrolyse micro-ondes est proposé. Divers facteurs tels que la conception de la cavité, les propriétés diélectriques du matériau traité, la compatibilité électromagnétique du système et la circulation de la biomasse sont discutées en triant les conditions souhaitables pour les réacteurs micro-ondes fonctionnant en continu.
Origine : Version validée par le jury (STAR)