Étude multi-échelle de la pyrolyse des CSR : caractérisation des matières, influence du temps de séjour et optimisation catalytique

L’INSA Rouen Normandie est une grande école publique d’ingénieurs reconnue pour la qualité de ses formations et de sa recherche. Elle propose plusieurs spécialités couvrant un large éventail des sciences de l’ingénieur. L’établissement entretient des liens forts avec les entreprises et les acteurs du territoire pour une formation ancrée dans les réalités industrielles. Chaque année, il accueille des étudiants français et internationaux. Son objectif est de former des ingénieurs responsables, innovants et capables de répondre aux enjeux technologiques et sociétaux de demain.

Matière à valoriser : Combustibles Solides de Récupération

Réacteurs utilisés : réacteur fermé (batch) vs. Réacteur à lit fluidisé

Etablissement : INSA Rouen France

Gratification : environ 640€ par mois

Durée : 5.5 mois

1) Contexte & objectifs

- Les CSR montrent une forte variabilité (plastiques, papiers/cartons, textiles, fraction fine, etc.) et un enjeu majeur de déchloration/qualité des produits.

- Comparer la pyrolyse en réacteur fermé et lit fluidisé éclaire l’effet du temps de séjour des vapeurs et de la température sur rendements, composition des gaz/huiles, et qualité du biochar.

- Des zéolithes (ex. HZSM-5 modifiée) sont pertinentes pour aromatisation/déchloration des huiles issues de CSR ¹.

Objectifs spécifiques

1. Recherche biblio : Cartographier la composition de CSR et leurs produits de pyrolyse (huiles/gaz/char)².
2. Caractérisation multi-techniques (ATG (proximate–ultimate), bombe calorimétrique, DRX, FTIR, SEM-EDS, porosité BET…).
3. Travail expérimental : Expérimenter en réacteur fermé et en lit fluidisé : prétraitements (dont déchloration), effets T et temps de séjour des vapeurs (VRT), et étude catalytique sur zéolithe modifiée.

2) Programme de travail

2.1. Recherche bibliographique (sem. 1–3)

• CSR/SRF : définitions & classes (EN 15359), variabilité, contaminants (Cl, métaux) ; filières d’usage.
• Prétraitements/déchloration (lavage, Ca(OH)₂, traitements thermiques) & catalyse zéolithique (HZSM-5, versions nano/hiérarchiques, dopages).
• Produits de pyrolyse de CSR (techniques utilsiées (GC-MS,..), familles chimiques majeures, gaz légers, qualité des chars).
• Réacteurs : identifier les réacteurs les plus utilisés pour le traitement de CSR
• Conditions opératoires : Etudier l’effet du temps de séjour des vapeurs et la température du réacteur sur la distribution produite.

2.2. Caractérisation des échantillons (sem. 2–6)

Échantillons et analyses :

- ATG/DTG (N₂) 25-800 °C, 5°C/min → profils de dévolatilisation, paramètres cinétiques

- Proximate/ultimate (cendres, volatils, C-H-N-S-Cl), analyse des chlore & soluble.

- Morphologie/porosité : BET, SEM-EDS (impuretés, Cl-rich domains), DRX (carbonates/halogénures), FTIR.

2.3. Étude expérimentale (sem. 5–16)

Prétraitements (en fonction de la partie biblio)

1. Déchloration en amont (prétraitement du CSR)

- Lavage à l’eau ou eau alcaline (Ca(OH)₂, NaOH, NaHCO₃) : permet d’extraire une grande partie du chlore soluble (NaCl, KCl) avant pyrolyse → moins de chlore passe dans l’huile/charbon.

- Traitement thermique doux (200–300 °C) : volatilisation partielle du HCl lié au PVC avant pyrolyse principale.

Ces techniques ne déchlorent pas directement l’huile, mais réduisent fortement sa teneur en Cl à la source (Pour plus d’information, voir article Chen et al. (2022)³.

2. Déchloration in situ pendant pyrolyse

- Ajout de sorbants basiques (CaO, Ca(OH)₂, MgO, dolomie) dans le lit : fixation du chlore sous forme de CaCl₂/MgCl₂ solides, donc moins de chlore volatil vers l’huile.

- Vaporisation de l’HCl par une torrefaction (entre 200-300°C)

- Utiliser des catalyseurs zéolithiques (HZSM-5, dopée Ni/Zn) : favorisent la formation d’aromatiques légers, tout en réduisant la fraction chlorée dans les goudrons/huiles (pour plus d’information, voir article de Cueto et al.(2023)¹.

Travail expérimental 

- Réacteur fermé (batch) :masse utilisée de l’ordre de 1-2g, débit d’azote environ 200mL/min, et température entre 450–650 °C

- Lit fluidisé (sable, Zéolithes, CaO, MgO...., 0.2–0.5 mm) : 1-2g/min, température entre 450–650 °C.

Tous ces paramètres sont à ajuster en fonction de la littérature (partie 1).

Analyses des produits

Gaz : micro-GC / GC-TCD-FID ; éventuellement FTIR (par sac d’échantillonnage).

Huiles : GC-MS + GC-FID (familles chimiques)....

Biochar : BET, SEM-EDS, DRX, FTIR, suivi Cl et métaux.

Références :

1.            Cueto, J. et al. Upgrading of solid recovered fuel (SRF) by dechlorination and catalytic pyrolysis over nanocrystalline ZSM-5 zeolite. Chemosphere 339, 139784 (2023).

2.            Gerassimidou, S., Velis, C. A., Williams, P. T. & Komilis, D. Characterisation and composition identification of waste-derived fuels obtained from municipal solid waste using thermogravimetry: A review. Waste Manag Res 38, 942–965 (2020).

3.            Chen, Y.-C. & Tsai, Y.-C. Dry dechlorination of solid-derived fuels obtained from food waste and polyvinyl chloride. Science of The Total Environment 841, 156745 (2022).

Étudiant·e en Master 2 Génie des Procédés, Génie Chimique, ou équivalent ingénieur (5ᵉ année).