Pyrolyse de la biomasse via différentes technologies de réacteur : comparaison de la productivité et de la qualité des produits

Offre de thèse

Date limite de candidature

15-05-2025

Date de début de contrat

01-10-2025

Directeur de thèse

MAUVIEL Guillain

Encadrement

L'encadrement sera réalisé par deux enseignants-chercheurs de l'ENSIC (Université de Lorraine) qui travaillent dans le même bureau au sein de l'équipe Greener du LRGP (axe Cithere). Des réunions d'avancement seront organisées à un rythme mensuel, tandis que le doctorant pourra directement s'adresser à un de ces deux encadrants de manière quotidienne en cas de besoin.

Type de contrat

Concours pour un contrat doctoral

Candidater à cette offre

école doctorale

SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE

équipe

Axe 4 - CITHERE - Cinéthique et Thermodynamique pour l'Energie

contexte

spécialité

Génie des Procédés, des Produits et des Molécules

laboratoire

LRGP - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés

Mots clés

pyrolyse, biomasse, réacteur

Détail de l'offre

La production de biochar et de bio-oil connait une importante augmentation d'activités ces dernières années pour différents secteurs : décarbonation de l'industrie, chimie verte, biochar pour l'environnement (sol/eau/air), etc.
Dans l'équipe GREENER, nous avons développé deux réacteurs continus de pyrolyse de la biomasse : une vis (Auger) et un lit fluidisé. Ces deux réacteurs traitent quelques kilogrammes de biomasses. Ils sont assez représentatifs de réacteurs industriels. Nous avons également des réacteurs batch (en lit fixe). A notre connaissance, il n'y a aucun travail qui traite du sujet clé de la qualité des produits de pyrolyse en fonction du type de réacteur utilisé (et de leurs conditions opératoires). L'équipe est en capacité de faire un travail de caractérisation poussée sur les produits (biochar, bio-oil, gaz) puisqu'elle développe et utilise également de nombreuses méthodes analytiques (bilan atomique, propriétés structurales, réactivité à l'air, UV, RMN, viscosité, etc.).

L'objectif de cette thèse est de mieux comparer ces différents types de réacteur en termes de :
1) caractérisation thermique (puissance effective en W m-3, coefficient de transfert de chaleur en W m-2 K-1) ;
2) distributions des temps de séjour (DTS) des solides et vapeurs.
Ces caractéristiques contrôlent l'homogénéité du traitement thermique des biomasses et donc la qualité des produits (biochar, bio-oil). Cela contrôle également la productivité des réacteurs exprimée par exemple en kg h-1 m-3.

La thèse sera conduite sur le même bois avec différentes tailles de particules bien contrôlées (sciure, granulés et petites plaquettes). Les actions seront les suivantes :
A) caractérisation thermique des réacteurs par chauffage de particules non réactives et réactives (métaux, CaCO3, etc.) et imagerie thermique ;
B) mesure de la DTS des solides non réactifs et réactifs : analyse de la conversion des particules de charbons (par analyse de leur matière volatile, carbone fixe) et par imagerie Raman et FTIR ;
C) mesure de la DTS du gaz inerte et du mélange gaz inerte + vapeurs de pyrolyse : pulse et couplage SPITOFMS (spectromètre de masse spécifique), analyse de la composition des bio-oils (par RMN, GC/MS, etc.) pour identifier des marqueurs chimiques (goudrons primaires, secondaires, eau, etc.) liés à « l'histoire thermique » subie par les vapeurs le long du réacteur ;
D) effet d'un apport maitrisé d'air au sein des réacteurs sur les produits obtenus, la sécurité et la conduite des réacteurs. L'intérêt principal de l'injection d'air étant de rendre le réacteur autotherme (c'est-à-dire sans besoin d'apport de chaleur externe).

Keywords

pyrolysis, biomass, reactor

Subject details

The production of biochar and bio-oil has seen a significant increase in activity in recent years for various sectors: decarbonisation of industry, green chemistry, biochar for the environment (soil/water/air), etc. In the GREENER team, we have developed two continuous biomass pyrolysis reactors: a screw (Auger) and a fluidised bed. These two reactors process a few kilograms of biomass. They are fairly representative of industrial reactors. We also have batch reactors (fixed bed). To our knowledge, no work has been done on the key subject of the quality of pyrolysis products as a function of the type of reactor used (and their operating conditions). The team is able to carry out in-depth characterisation work on the products (biochar, bio-oil, gas) since it also develops and uses numerous analytical methods (atomic balance, structural properties, air reactivity, UV, NMR, viscosity, etc.). The aim of this thesis is to better compare these different types of reactor in terms of: 1) thermal characterisation (effective power in W m-3, heat transfer coefficient in W m-2 K-1) ; 2) residence time distributions (RTD) of solids and vapours. These characteristics control the homogeneity of the thermal treatment of biomass and therefore the quality of the products (biochar, bio-oil). They also control reactor productivity, expressed for example in kg h-1 m-3. The thesis will be conducted on the same wood with different, well-controlled particle sizes (sawdust, pellets and small chips). The actions will be as follows: A) thermal characterisation of the reactors by heating non-reactive and reactive particles (metals, CaCO3, etc.) and thermal imaging; B) measurement of the RTD of non-reactive and reactive solids: analysis of the conversion of biochar particles (by analysis of their volatile matter, fixed carbon) and by Raman and FTIR imaging; C) measurement of the RTD of the inert gas and the inert gas + pyrolysis vapour mixture: pulse and SPITOFMS coupling (specific mass spectrometer), analysis of the composition of the bio-oils (by NMR, GC/MS, etc.) to identify chemical markers (primary and secondary tars, water, etc.) linked to the ‘thermal history' undergone by the vapours along the reactor; D) the effect of controlled air injection into reactors on the products obtained, safety and reactor operation. The main advantage of air injection is that it makes the reactor autothermal (i.e. without the need for external heat input).

Profil du candidat

Le candidat devra maîtriser les compétences du génie des procédés (transfert de chaleur et de matière, génie de la réaction chimique, dynamique des systèmes...) ainsi que des compétences relatives à la chimie analytique et à la chimie organique et minérale.

Pour toute thèse proposée au sein de l'Ecole Doctorale, le futur doctorant devra bien être titulaire d'un master (diplôme de master/d'ingénieur français ou étranger, …) justifiant d'un parcours remarquable.
Dans tous les cas (diplôme de master ou d'ingénieur français ou étranger, …) le dossier doit comporter :
• le CV du candidat et lettre de motivation
• les notes obtenues au diplôme conférant le grade de master, mention 'Assez Bien' requise au minimum et copie du diplôme s'il est disponible
• 2 lettres de recommandations émanant du Responsable de la filière de formation et du tuteur de stage de fin d'études
• des éléments tangibles sur l'initiation à la recherche (mémoire de recherche, publication, ...).

Le dossier complet de candidature doit être envoyé à la direction de thèse par les adresses messageries des directeurs de thèses :

Candidate profile

The candidate will need to master the skills of chemical engineering (heat and matter transfer, chemical reaction engineering, system dynamics, etc.) as well as skills relating to analytical chemistry and organic / inorganic chemistry.

All applicants to the Doctoral School SIMPPÉ must have successfully completed a Master degree or its equivalent with a grade comparable to or better than the French grade AB (corresponding roughly to the upper half of a graduating class). In all cases (French or foreign Master degree, engineering degree, etc.) the counsel of the doctoral school will examine the candidate's dossier, which must include:
• CV and letter of motivation
• the grades obtained for the Master (or equivalent) degree and a copy of the diploma if it is available
• 2 letters of recommendation, preferably from the director of the Master program and the supervisor of the candidate's research project
• written material (publications, Master thesis or report, etc.) related to the candidate's research project.

The complete application file must be sent to the thesis supervisors by email :

Référence biblio

Le Brech, Yann, Jesus Raya, Luc Delmotte, Nicolas Brosse, Roger Gadiou, et Anthony Dufour. « Characterization of Biomass Char Formation Investigated by Advanced Solid State NMR ». Carbon 108 (novembre 2016): 165 77. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.06.033.

Maione, Riccardo, Sébastien Kiesgen De Richter, Guillain Mauviel, et Gabriel Wild. « Axial Segregation of a Binary Mixture in a Rotating Tumbler with Non-Spherical Particles: Experiments and DEM Model Validation ». Powder Technology 306 (janvier 2017): 120 29. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2016.10.073.

Jia, Liangyuan, Anthony Dufour, Yann Le Brech, Olivier Authier, et Guillain Mauviel. « On-line analysis of primary tars from biomass pyrolysis by single photoionization mass spectrometry: Experiments and detailed modelling ». Chemical Engineering Journal 313 (1 avril 2017): 270 82. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.12.021.

Hervy, Maxime, Damien Remy, Anthony Dufour, et Guillain Mauviel. « Gasification of Low-Grade SRF in Air-Blown Fluidized Bed: Permanent and Inorganic Gases Characterization ». Waste and Biomass Valorization 12, no 11 (1 novembre 2021): 6231 44. https://doi.org/10.1007/s12649-021-01434-w.