Collaboration États-Unis – Canada relativement aux biocarburants de pyrolyse

Collaboration États-Unis – Canada relativement aux biocarburants de pyrolyse

ÉTAT: Terminé

I. Aperçu

Les procédés de pyrolyse rapide peuvent convertir les résidus de biomasse solides en produits liquides (bio-huiles). Les bio-huiles présentent une densité énergétique plus élevée que la biomasse non traitée et leur forme liquide rend la manipulation et l'entreposage plus efficaces. La conversion par pyrolyse a été, jusqu'à aujourd'hui, principalement limitée au bois blanc (résidus de sciure de bois) et les effets des matières premières contaminées (p. ex. haute teneur en cendres et en chlorure) ne sont tojours pas bien compris.

L'objectif général de ce projet a été de mieux comprendre comment la pyrolyse rapide des matières premières de la biomasse peut être efficacement utilisée pour une variété de biocarburants et d'applications de l'énergie produite par biomasse. Les recherches étaient en harmonie avec le Dialogue États-Unis – Canada sur l'énergie propre (DEP), car les deux pays ont déterminé que la pyrolyse rapide de la biomasse pour la production de biocarburants était un domaine important de collaboration technique. Aux États-Unis, l'accent est mis principalement sur la production et la valorisation d'hydrocarbures, du diesel et des carburéacteurs pour remplacer directement le pétrole. Au Canada, on s'intéresse également à l'utilisation de biocarburants pour la production de chaleur et d'électricité. Dans les deux pays, la bio-huile pyrolytique doit être produite à hauts rendements, des techniques de prétraitement doivent être évaluées pour réduire les effets des contaminants tels que les cendres, et des techniques de stabilisation doivent être établies afin de répondre aux spécifications d'alimentation en fonction de l'application.

La collaboration entre CanmetÉNERGIE, le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) et le National Renewable Energy Laboratory (NREL) des États-Unis sur la pyrolyse rapide a commencé en septembre 2009. Au cours des phases précédentes, la pyrolyse des matières premières issues des résidus forestiers commune aux États-Unis et au Canada a été étudiée dans des réacteurs à échelle pilote et de petite échelle. Les matières premières incluaient une série de combustibles de déchets de bois avec différentes teneurs (zone intérieure, côtière et milieu salin) en sel (chlorure), d'arbres attaqués par le dendroctone du pin ponderosa, de sciure de bois de pin de référence et de bouleau. Les matières premières ligneuses ont été pyrolysées dans un pyrolyseur à lit fluidisé à échelle pilote au PNNL et dans un micro-réacteur au NREL. Une mise en service initiale et une mise à l'essai des matières premières ont également été exécutées dans un réacteur à vis à CanmetÉNERGIE. Par la suite, CanmetÉNERGIE (dans le cadre du financement de l'Initiative écoÉNERGIE sur l'innovation) a commencé la construction et la mise en service de deux nouveaux systèmes de pyrolyse rapide : un système à lit fluidisé et un système de pyrolyse rapide ablative.

Dans ce travail, la qualité et le rendement de l'huile pouvant être obtenue dans ces réacteurs de pointe à partir des matières premières ont été davantage évalués, y compris l'effet du prétraitement visant à réduire la teneur en chlorure. Une caractérisation détaillée de la bio-huile issue des matières premières cibles a été effectuée dans le cadre de l'évaluation des exigences de prétraitement et de stabilisation pour répondre aux spécifications de la valorisation plus poussée ou aux applications stationnaires tels que la chaleur et l'électricité industrielle.

II. Description du projet

Les objectifs au cours de l'exercice 2012-2013 étaient les suivants :

• Effectuer une évaluation de la pyrolyse des matières premières communes issues des résidus forestiers
• Évaluer l'impact du prétraitement sur la pyrolyse des résidus forestiers (combustible de déchets de bois)
• Évaluer les besoins en stabilisation pour les huiles produites par pyrolyse des résidus forestiers

Approche technique et éléments livrables

Activité 1 : Comparaison de la pyrolyse des matières premières communes issues des résidus forestiers

Le travail a commencé au cours de l'exercice 2009-2010 sur la pyrolyse des résidus forestiers et s'est terminé par l'exécution de la pyrolyse des matières premières cibles dans les réacteurs à lit fluidisé et ablatifs. Le nouveau système de pyrolyse à lit fluidisé à CanmetÉNERGIE, par rapport au système de pyrolyse du PNNL, est situé à une échelle bien plus importante qui soulève d'autres préoccupations de mesurage dont il faut éliminer les risques. Afin de s'assurer que les résultats entre les deux réacteurs sont comparables, le PNNL a agi à titre de consultant pour CanmetÉNERGIE et a aidé à concevoir l'usine pilote de pyrolyse à lit fluidisé au Canada. Le PNNL a également effectué, en collaboration avec CanmetÉNERGIE, des analyses complètes détaillées des produits obtenus par pyrolyse (p. ex. composition élémentaire, acidité, analyse des groupes fonctionnels).

Activité 2 : Impact des méthodes de prétraitement sur la pyrolyse des résidus forestiers

Le travail précédent a indiqué que les cendres et les sels contenus dans les combustibles de déchets de bois ont des répercussions nuisibles sur le rendement de l'huile pyrolytique, car ils augmentent les rendements des produits du charbon et du gaz. L'objectif a été ensuite de déterminer si les rendements en huile pouvaient être améliorés par des méthodes de prétraitement à faible coût. Les méthodes étudiées incluaient la torréfaction, le prétraitement alcalin, ainsi que le lavage permettant d’éliminer les composantes de sel et de cendres. Au départ, les méthodes ont été étudiées à petite échelle dans un réacteur Pyroprobe au NREL. La qualité de l'huile a été évaluée grâce à une analyse par chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse des composants volatils. Les conditions de prétraitement les plus prometteuses ont ensuite été appliquées à CanmetÉNERGIE à un lot de résidus forestiers suffisamment gros pour être testé dans un lit fluidisé à échelle pilote afin de déterminer le rendement en huile et de permettre une analyse ultérieure des propriétés de l'huile par CanmetÉNERGIE et le PNNL.

Activité 3 : Évaluation des besoins en matière de stabilisation

La teneur en espèces acides et les fortes concentrations de composés oxygénés instables sur le plan thermique rendent les bio-huiles non traitées instables (p. ex. la bio-huile non stabilisée se polymérise avec le temps, ce qui augmente fortement la viscosité) et donc inappropriées en tant que carburants de substitution. Telles qu'elles sont produites, les bio-huiles peuvent être utilisées après avoir été soumises à une certaine stabilisation (en fonction des propriétés de l'huile, ainsi que de la durée et des conditions d'entreposage) pour les systèmes de génération de la chaleur et de production combinée chaleur-électricité. Les utilisations du carburant pour les moteurs et le transport, toutefois, nécessitent une valorisation des bio-huiles. Dans le cadre de ce projet, une évaluation des besoins en matière de stabilisation a été effectuée pour une utilisation directe de la bio-huile et pour une utilisation de la bio-huile en tant que matière première de valorisation. Dans l'évaluation, les données sur la qualité de l'huile obtenues grâce aux essais de pyrolyse ont été reliées aux données existantes sur la stabilité et la valorisation de l'huile pyrolytique.

III. Durée du projet

Six mois; du 28 septembre 2012 au 31 mars 2013

IV. Partenaires/participants

Government

• CanmetÉNERGIE
• National Renewable Energy Laboratory (États-Unis)
• Pacific Northwest National Laboratory (États-Unis)
• Département de l'Énergie des États-Unis