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Institut International de l'Ingénierie de l'Eau et de l'Environnement (2iE)
Université de Technologie de Compiègne (UTC)
THESE
pour obtenir le grade de Docteur
en Sciences et technologies de l’eau, l’énergie et l’environnement (2iE)
Discipline : Spécialité Génie des procédés / Catalyse chimique
et en Sciences pour l’ingénieur (UTC)
Discipline : Génie des procédés industriels et développement durable
présentée et soutenue publiquement par
François-Xavier COLLARD
le 4 octobre 2012
Titre :
Nouvelles stratégies catalytiques pour la
gazéification de la biomasse :
Influence de métaux imprégnés sur les
mécanismes de pyrolyse
JURY
Mme Anne JULBE Présidente
M. Claude MIRODATOS Rapporteur
M. Pierre MEUKAM Rapporteur
M. Richard CAPART Examinateur
M. Yezouma COULIBALY Examinateur
M. Joël BLIN Co-directeur de thèse
M. Ammar BENSAKHRIA Co-directeur de thèse

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Nouvelles stratégies catalytiques pour la gazéification de la biomasse :
Influence de métaux imprégnés sur les mécanismes de pyrolyse
Résumé
Le développement des voies de valorisation de la biomasse par gazéification, très prometteuses pour la
production de biocarburants, est ralenti à cause de la concentration trop élevée de goudrons dans le gaz
produit par ce procédé. Des travaux récents ont montré que les métaux, lorsqu’ils sont imprégnés dans la
biomasse, limitent la génération des goudrons primaires, produits lors de l’étape de pyrolyse qui précède les
réactions d’oxydation. L’objectif principal de ce travail est d’étudier l’influence des métaux imprégnés sur les
mécanismes de pyrolyse et sur les rendements en goudrons de cette étape. La réactivité du char formé, qui est
dopé en métal, par rapport aux réactions d’oxydation a également été évaluée. L’étude de l’influence du fer et
du nickel sur la pyrolyse des principaux polymères qui constituent la biomasse (cellulose, xylane, lignine) et
d’échantillons de biomasses a permis de mettre en évidence que les métaux favorisent principalement les
mécanismes de formation du char, ce qui inhibe les réactions de dépolymérisation et de fragmentation,
responsables de la production des goudrons. Imprégné dans les phases amorphes des polysaccharides, le nickel
catalyse aussi des réactions de dépolymérisation. Ce résultat explique que la réduction des rendements en
goudrons soit plus forte avec le fer qu’avec le nickel. Par contre, le nickel est plus efficace pour limiter la
production des molécules contenant un noyau benzénique et pour catalyser des réactions secondaires des
matières volatiles, comme le reformage à la vapeur. Lors des expériences de gazéification de char dopé en fer,
des problèmes de désactivation du catalyseur métallique, qui conduisent à un ralentissement de la cinétique de
la réaction d’oxydation, sont observés. Au contraire, l’activité catalytique du nickel est stable et rend possible
les réactions d’oxydation du char au CO2 à 600 °C et à la vapeur d’eau à 500 °C. Ces résultats indiquent que
l’approche, qui consiste à imprégner des métaux dans la biomasse, permet d’envisager la mise en œuvre de
procédés de gazéification à basse température ; ce qui limiterait le problème des goudrons et permettrait
d’améliorer l’efficacité énergétique des procédés.
Mots-clés : pyrolyse, biomasse, goudrons, catalyse, nickel, fer, cellulose, lignine, hémicelluloses, gazéification,
char dopé en métal.
New catalytic strategies for biomass gasification:
Influence of impregnated metals on pyrolysis mechanisms
Abstract
The very promising development of the use of biomass for biofuel production by gasification is slowed down
owing to too high tar concentration in the gas produced by this process. Recent works showed that, when
impregnated in biomass, metals display catalytic activity that results in a significant decrease in the production
of the primary tars, during the pyrolysis step, which precedes the oxidation reactions. The main aim of this
work was to assess the effect of impregnated metals on pyrolysis mechanisms and on the tar yield of this step.
The reactivity of the metal-doped char produced, during the oxidation reactions, was also evaluated. The study
of the influence of iron and nickel on the pyrolysis conversion of the main polymers that form biomass (i.e.
cellulose, xylan and lignin) and of biomass samples showed that impregnated metals mainly catalyzed the
mechanisms of char formation. This phenomenon inhibited the depolymerization and fragmentation reactions,
which are responsible for most tar formation. When impregnated in the amorphous phase of the
polysaccharides, nickel also promoted some depolymerization reactions. This result explains the bigger
decrease in tar production obtained with iron than with nickel. However, nickel was more efficient in limiting
the production of molecules containing a benzene ring and to catalyze the secondary reactions of volatile
compounds. During gasification tests, the conversion of the iron-doped char revealed problems of deactivation
of the metal catalyst, which led to a decrease in the reaction rate of the oxidation reaction. On the contrary,
the catalytic activity of nickel was stable and made possible the oxidation reactions of char at 600 °C with CO2
and at 500 °C with steam. These findings show that the approach which consists in impregnating biomass with
metals, allows considering the implementation of gasification processes at low temperature, which could limit
the tar problem and could improve the energy conversion efficiency of these processes.
Keywords: pyrolysis, biomass, tar, catalysis, nickel, iron, cellulose, lignin, hemicelluloses, gasification, metal-
doped char.
Laboratoire Biomasse Energie et Biocarburants (2iE) / Transformations Intégrées de la Matière Renouvelable
(UTC)

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Remerciements
Cette thèse est le fruit du plus long projet professionnel que j’aie eu l’occasion
d’entreprendre. De nombreuses personnes, que je tiens à remercier ici, ont contribué à
m’aider à mener ce projet à son terme par leurs apports scientifiques, ainsi que par leur
amitié dans la vie de tous les jours.
Je remercie Philippe Girard et Yezouma Coulibaly de m’avoir accueilli au sein de
l’UTER Génie Energétique et Industriel du 2iE et de m’avoir soutenu dans mes différents
projets.
Je remercie mes directeurs de thèse : Joël Blin pour la confiance qu’il m’a
accordée, ses conseils judicieux, son énergie et sa bonne humeur qui m’ont toujours aidé à
aller de l’avant ; et Ammar Bensakhria pour son accueil chaleureux, son intérêt et son
investissement, notamment dans les travaux de recherches réalisés lors de mon séjour à
Compiègne.
Je remercie Anne Julbe, Claude Mirodatos et Pierre Meukam d’avoir accepté
de juger ce travail.
Je suis heureux d’avoir participé au démarrage et à la croissance du LBEB. Ce
projet m’a permis de rencontrer de nombreuses personnes d’origines et de cultures
différentes, ce qui fut très enrichissant tant sur le plan professionnel que sur le plan
humain. Je remercie particulièrement Madi Kabore, Yapara Kanabet, Hémou
Labou et Alex Aubert pour leur contribution à ce travail et leur amitié. Un grand merci
aussi à Sayon, Micha, Wilfried et Arnaud pour tous les bons moments passés ensemble
et les nombreuses discussions pour refaire le monde. J’exprime aussi toute ma
reconnaissance à tous ceux qui m’ont soutenu et permis de passer des moments agréables
au laboratoire, notamment Reine, Odilon, Eric, Mariam, William, Salif, Charly,
Gueye, Yohan, Igor, Natty et Séverin.

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Je remercie toute l’équipe de l’UPR Biomasse-Energie du Cirad, notamment Sylvie
Mouras, de m’avoir reçu et permis de réaliser de nombreuses expériences lors de mes
passages à Montpellier. Je remercie très particulièrement Ghislaine Volle et Jérémy
Valette, qui par leur disponibilité, leurs conseils et leur maîtrise des appareils
analytiques ont contribué à la qualité des résultats de cette étude. Je vous dois beaucoup,
pour diverses raisons, d’en être arrivé là. Je remercie Eric Martin pour son soutien
technique sur le montage expérimental. Merci également aux autres membres de l’équipe,
notamment Véro, François, Anthony, Xavier, Gabriel et Mathieu de m’avoir si bien
intégré au sein du Cirad comme dans le cadre d’autres activités. Je remercie aussi Cécile
Fovet-Rabot pour ses précieux conseils par rapport à la rédaction scientifique.
Je pense aussi à tous mes amis qui ont rendu agréable cette aventure au Burkina
Faso. Je remercie Jérôme, Amélie, Juliette, Guillaume, Elodie, Nathalie, Joseph,
Brice, Sarah, Liza, Béa et Séverine pour tous les moments de joie partagés lors des
soirées ouagalaises. Merci à tous les rugbymen de Ouagadougou ; je garderai de
nombreux souvenirs de toutes ces rencontres qui m’ont marquées dans tous les sens du
terme. Merci à Odile et Jacques de m’avoir si bien accueilli et pour leur bonne humeur
qui a égayé ma vie de tous les jours.
Je remercie mes parents pour leur éducation, leur dévouement et pour m’avoir
toujours soutenu dans mes différents choix professionnels et personnels. Je remercie
Patricia et Fabien qui ont aussi participé à mon éducation, qui m’ont donné la chance de
grandir dans un environnement heureux et qui ont toujours été des modèles pour moi. Je
remercie aussi Guilhem, Catherine et la famille Fournials pour tous les bons moments
passés ensemble. Selon Antoine de Saint-Exupéry, « Nous n’héritons pas de la Terre
de nos ancêtres, nous l’empruntons à nos enfants ». J’ai une pensée pour mes grands-
parents et je dédie ce document à Emilie, Romane, Louis, Romain et Guillaume. Je
tiens enfin à remercier Christel pour l’équilibre qu’elle a apporté à ma vie et toutes les
belles aventures partagées et à venir.