Contribution to the understanding of the role of inorganic elements in biomass steam gasification
Contribution à la compréhension du rôle des éléments inorganiques sur la cinétique de gazéification sous vapeur d'eau de la biomasse
Résumé
In the current energy context, there is a need to develop the use of renewable energy sources, such as biomass. A promising way to produce energy from biomass is through gasification. However, some biomass species can be problematic during the gasification process due to their high inorganic content that can strongly influence the reaction kinetics. To date, the inorganic effects are known but the underlying mechanisms are still poorly understood. In this context, the objective of the present work was to contribute to the understanding of the inorganic elements role during the biomass steam gasification. In particular, the phenomena involving K and Si during the biomass steam gasification, especially through the gas phase, and with particular attention on their influence on the reaction kinetics were investigated. Investigations were conducted at an experimental level, with thermogravimetric analyses and physicochemical characterizations of the chars and ashes. They were supported by calculations at thermodynamic equilibrium as well as by literature review. The results have proven that the biomass inorganic composition is the main parameter explaining the differences between the gasification kinetic behaviors of the biomass species. From this conclusion, the specific effects of K and Si—two major inorganic elements in biomass—were further investigated in details. A competition was highlighted between two reactions involving K, most likely in the form of KOH(g): i) the catalysis of the steam gasification—whose mechanism starts from the pyrolysis step—on the one hand, and ii) the heterogeneous reaction between KOH(g) and SiO2 to form non-catalytic species on the other hand. Additionally, it was showed that increasing the biomass SiO2 content, whatever its crystalline form, slows its gasification down in a non-linear way and until a saturation effect.
Dans le contexte énergétique actuel, l’utilisation de sources d’énergie renouvelables, telle que la biomasse, doit être développée. La gazéification est l’une des voies prometteuses de production d’énergie à partir de la biomasse. Cependant, certaines biomasses peuvent être problématiques lors de la gazéification à cause de leur taux élevé en éléments inorganiques qui peut fortement influencer la cinétique de la réaction. A ce jour, ces effets sont connus mais les mécanismes en jeu restent mal compris. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail était de contribuer à la compréhension du rôle des éléments inorganiques au cours de la gazéification sous vapeur d’eau de la biomasse. En particulier, les recherches se sont concentrées sur les phénomènes impliquant K et Si au cours de la gazéification sous vapeur d’eau de la biomasse, notamment dans la phase gaz, et avec une attention particulière vis-à-vis de leur influence sur la cinétique de la réaction. Les résultats ont démontrés que la composition en éléments inorganiques de la biomasse est le paramètre principal permettant d’expliquer les différences entre les cinétiques de gazéification des différentes espèces de biomasse. A partir de cette conclusion, l’effet particulier de K et Si (deux des éléments inorganiques majeurs de la biomasse) a été étudié en détails. Une compétition a été mise en évidence entre deux réactions impliquant K, très probablement présent sous forme de KOH(g) : i) la catalyse de la gazéification, dont le mécanisme commence dès la pyrolyse, d’une part, et ii) la réaction hétérogène entre KOH(g) et SiO2 pour former des espèces non-catalytiques d’autre part. De plus, il a été montré qu’augmenter la concentration en SiO2, quelle que soit sa forme cristalline, de la biomasse ralentit sa gazéification de façon non-linéaire et jusqu’à une saturation.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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