Valorization of sugarcane bagasse via slow pyrolysis and its by-product for the protection of wood - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2021

Valorization of sugarcane bagasse via slow pyrolysis and its by-product for the protection of wood

Valorisation de la bagasse de canne à sucre par pyrolyse lente et de son sous-produit pour la protection du bois

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Febrina Dellarose Boer

Abstract

Biomass residue—such as sugarcane bagasse—has great potential in providing renewable energy sources. However, its natural properties such as low density, low calorific value, and biodegradation susceptibility can limit its utilization. To improve its energy efficiency, slow pyrolysis—the process of thermal decomposition in an oxygen-deficient environment—can be applied by transforming the biomass into carbon-rich char. In a typical slow pyrolysis scenario, biomass is slowly heated to produce mainly char, where the organic vapors are often considered secondary products. However, there is an interest to recover this by-product by condensing the organic vapor generated during pyrolysis for various purposes. Moreover, this product has a long history due to its benefits as a bio-pesticide used by traditional farmers, notably in Asian countries. In this study, bagasse was slow-pyrolyzed to co-produce char and pyrolysis liquid using a laboratory fixed bed reactor. Different parameters were tested, such as temperatures (400 °C and 500 °C), heating rate (1 °C/min and 10 °C/min), and holding time (30 min and 60 min). This study aims to evaluate the valorization potential of bagasse with the purpose of energy densification (conversion of biomass into char) and valorizing the utilization of its by-product (pyrolysis liquid) for wood protection.Results showed that the yield of char decrease with the increase of pyrolysis temperature but results in the favorable calorific value improvement; while at the same time generating a high mass of liquid yield. The optimum pyrolysis condition to co-produce char and pyrolysis liquid was at 500 °C temperature and 10 °C/min of heating rate, yielding 28.97% char and 55.46% liquid. The principal compounds of pyrolysis liquid were water, acetic acid, glycolaldehyde, 1-hydroxy-2-propanone, methanol, formic acid, levoglucosan, furfural, followed by some phenol compounds and guaiacol derivatives. Pyrolysis liquid also exhibits anti-fungal and anti-termite activity at relatively low concentrations in the Petri-dishes bioassays. When treated to beech and pine wood, pyrolysis liquid indicates good protection towards termites (Reticulitermes flavipes) and Basidiomycete fungi (Coniophora puteana and Rhodonia placenta, cubic rot and Trametes versicolor, a fibrous rot) at concentration 50% and 100%. However, it remains leachable when exposed to water or high humidity, which indicates that future studies should be conducted to find out how to decrease its leachability.Keywords: biomass, char, slow pyrolysis, sugarcane bagasse, pyrolysis liquid, wood protection.
Les résidus de biomasse, comme la bagasse de canne à sucre, ont un grand potentiel pour fournir des sources d’énergie renouvelables. Cependant, ses propriétés naturelles telles que sa faible densité, son faible pouvoir calorifique et sa sensibilité à la biodégradation peuvent limiter son utilisation. Pour améliorer son efficacité énergétique, la pyrolyse lente–processus de décomposition thermique dans un environnement pauvre en oxygène–peut être appliquée en transformant la biomasse en un charbon riche en carbone. Dans un scénario typique de pyrolyse lente, la biomasse est lentement chauffée pour produire principalement du charbon, dont les vapeurs organiques sont souvent considérées comme des produits secondaires. Cependant, il y a un intérêt à récupérer ce sous-produit en condensant la vapeur organique générée pendant la pyrolyse à des fins diverses. De plus, ce produit a une longue histoire en raison de ses avantages en tant que bio-pesticide utilisé par les agriculteurs traditionnels, notamment dans les pays asiatiques. Dans cette étude, la bagasse a été pyrolysée pour co-produire du charbon et du liquide de pyrolyse (huile de pyrolyse) en utilisant un réacteur de laboratoire à lit fixe. Différents paramètres ont été testés, tels que les températures (400 °C et 500 °C), la vitesse de chauffe (1 °C/min et 10 °C/min) et le temps de séjour (30 min et 60 min). Cette étude vise à évaluer le potentiel de valorisation de la bagasse dans le but de densifier l’énergie (conversion de la biomasse en charbon) et de valoriser l’utilisation de son sous-produit (liquide de pyrolyse) pour la protection du bois. Les résultats ont montré que le rendement en charbon diminue avec l’augmentation de la température de pyrolyse mais entraîne une amélioration favorable du pouvoir calorifique; tout en générant une masse élevée de rendement liquide. Les conditions de pyrolyse optimales pour co-produire le charbon et le liquide de pyrolyse étaient la température de 500 °C et la vitesse de chauffe de 10 °C/min, donnant 28,97% de charbon et 55,46% de liquide. Les principaux composés du liquid de pyrolyse étaient l’eau, l’acide acétique, le glycolaldéhyde, la 1-hydroxy-2-propanone, le méthanol, l’acide formique, le lévoglucosane, le furfural, suivis de quelques composés phéno- liques et de dérivés du guaiacol. Le liquid de pyrolyse présente également une activité anti-fongique et anti-termite à des concentrations relativement faibles dans les essais biologiques sur boîtes de Pétri. Lorsqu’il est traité au bois de hêtre et de pin, le liquid de pyrolyse indique une bonne protection contre les termites (Reticulitermes flavipes) et les champignons Basidiomycete (Coniophora puteana et Rhodonia placenta, une pourriture cubique et Trametes versicolor, une pourriture fibreuse) à une concentration de 50% et 100%. Cependant, il reste lessivée lorsqu’il est exposé à l’eau ou à une forte humidité, ce qui indique que des études futures devraient être menées pour trouver comment diminuer sa lessivabilité.Mots clés: biomasse, charbon, pyrolyse lente, bagasse de canne à sucre, liquide de pyrolyse, protection du bois.
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tel-03352427 , version 1 (23-09-2021)

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Cite

Febrina Dellarose Boer. Valorization of sugarcane bagasse via slow pyrolysis and its by-product for the protection of wood. Agricultural sciences. AgroParisTech, 2021. English. ⟨NNT : 2021AGPT0008⟩. ⟨tel-03352427⟩
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