Date de rapport 26-09-2023

Le projet PSYCHE a pour objectif la production de molécules de base nécessaires à la chimie (oléfines) utilisable par l'industrie chimique, à partir de déchets plastiques. Une analyse technico économique et une évaluation de la durabilité de la filière ont également été réalisées. Lors de la première partie du projet (WP3), l'intérêt d'une technologie innovante de gazéification de différents flux de déchets plastiques a été démontré. A UGent (LCPE), différentes méthodes physiques et chimiques ont été étudiées pour le prétraitement des déchets plastiques afin d'élargir les options de leur recyclage. Ces méthodes ont été évaluées pour l'élimination de différents types de substances hétérogènes tel que les additifs, les pigments et les colles entre autres dans le but de délivrer une matière première pour le recyclage thermochimique aussi propre que possible. A UGent (LCT), la modélisation et la simulation de gazéification des déchets plastiques ont été démarrées en créant un modèle 1D afin de valider le modèle cinétique disponible dans la plate-forme de simulation OpenFOAM. Ceci a été réalisé pour des essais de TGA pratiqués sur différents combustibles solides, tels que de la biomasse et des plastiques. Un modèle non réactif en 3D a été créé et est en cours de validation à l’aide de données expérimentales (profils de vitesses obtenus par des mesures de vélocimétrie par image de particules (PIV)). Un modèle réactif 2D a été créé et démarré pour la gazéification de biomasse. Les expériences de validation du concept pour la pyrolyse du PS ont été réalisées dans cette installation. A l'UCLouvain, la pyrolyse de gouttelettes plastiques dispersées dans une tour de pulvérisation à chambre vortex est étudiée expérimentalement, en utilisant des tests d'évaporation à sec et à l'eau, et numériquement au moyen de la dynamique des fluides numérique (CFD). La possibilité d'intégrer la séparation gaz-solide (cendres/résidus de charbon) dans la chambre a été également étudiée. Pour quantifier la valeur ajoutée de la technologie de la chambre vortex, la pyrolyse des matières plastiques dans des unités conventionnelles (tour de pulvérisation et réacteur à réservoir à agitation continue (CSTR)) est simulée à l'aide de modèles hétérogènes 1D. Les simulations permettent d'identifier les principales limitations de ces configurations. La seconde partie du projet (WP4) vise à la conversion catalytique du syngaz obtenu en molecules chimiques de base via un procédé Fischer-Tropsch. Le travail réalisé à CERTECH forme le lien entre les travaux de gazéification (UGent/UCL) et de synthèse FT (UCCS/UGent). Les objectifs de purification ont été déterminés en collaboration avec UGent et l'UCCS. Les cibles d'impuretés ont été déterminées en collaboration avec l'UGent et l'UCCS. Sur la base de ces informations, CERTECH a commencé à élaborer le processus le plus simple possible pour la purification du gaz de synthèse. Le premier résultat est que deux approches sont possibles : l'adsorption et l'absorption. En outre, des travaux expérimentaux sur la sélection des adsorbants et l'utilisation des absorbants dans une solution aqueuse ont également été réalisés à l'échelle du laboratoire. Des tests d'élimination du COS et du H2S ont également été réalisés à l'aide de charbon actif fourni par Chemviron Carbon. A l'UCCS, différents catalyseurs à base de fer supporté sur de la silice ou de la zircone ont été synthétisés ce qui permet l'étude de l'influence de différents promoteurs (métaux mobiles et métaux alcalins) et de différentes conditions de réaction. Le principal objectif de ce projet a été le développement de nouveaux catalyseurs et procédés pour la conversion directe du gaz de synthèse (syngas) en oléfines légères sous conditions modérées de réaction (P = 1 à 5 bar). Le procédé et les catalyseurs seront optimisés pour le gaz de synthèse obtenu par la gazéification de plastiques utilisant une approche multi échelles qui commence par le design des catalyseurs, leur optimisation, les tests catalytiques, les expériences transitoires (SSITKA), et la modélisation des sites actifs déduit de la micro-cinétique. Avec les catalyseurs Fischer-Tropsch optimisés à base de fer et de métaux liquides, une sélectivité d'environ 60 % a été obtenue pour les oléfines légères. Le syngas obtenu par gaséification des plastiques contient environs 15 % de CO2. De nouveaux catalyseurs à base de fer modifié avec du potatium et des métaux de transition ont été déveoppé pour la synthèse d’oléfines légères à partir du CO2 avec une sélectivité de 30 %. Les caractérisations in-situ et operando ont montré une mobilité notable des promoteurs dans les deux catalyseurs pour la synthèse d’oléfines légères à partir du syngas et du CO2. L'effet positif le plus important sur la sélectivité a été constaté lorsque les catalyseurs étaient copromus avec du potassium et du molybdène. Les techniques de modélisation cinétique et l'approche de l'apprentissage automatique d'UGent procurent des informations uniques pour supporter le développement de nouveau catalyseur à haute performance. Le code SEMK (Single Event MicroKinetics), développé en interne, pour simuler la réaction Fischer-Tropsch à base de catalyseurs de cobalt a été utilisé pour évaluer les performances des catalyseurs à base de fer développé par UCCS. Le modèle d'évènement unique a été utilisé pour analyser l'impact de l'enthalpie d'adsorption chimique des atomes sur les cinétiques de reaction. Plus particulièrement, les réseaux neuronaux ont été utilisés comme méthodologie d’apprentissage automatique, en complément des simulations microcinétiques à évènement unique (SEMK), des effets des conditions opératoires sur les performances catalytiques. A cet égard, l’interprétabilité du modèle ML a été analysée. Les effets des conditions opératoires sur la sélectivité des oléfines légères est analysée par SEMK. L’étendue avec laquelle les modèles d’apprentissage automatique sont capables d’identifier les principales tendances dans les données de cinétique chimique est étudiée. De plus, dans la phase finale du projet, la possibilité de concevoir des catalyseurs en associant des informations cinétiques à des regroupements a été étudiée. Cinq preuves de concept ont été réalisées au cours du projet : - Procédé de désencrage pour le prétraitement des plastiques (3 brevets ont également été déposés à ce sujet). - Pyrolyse du polystyrène dans le réacteur vortex en un produit liquide composé principalement de styrène. - Développement d'un procédé sec régénérable à haute température pour l'élimination des composants soufrés afin d'obtenir la composition de gaz de synthèse requise pour le procédé Fischer-Tropsch. - Nouveau type de promoteurs métalliques qui améliorent les performances des catalyseurs à base de fer pour la conversion du gaz de synthèse en oléfines légères C2-C4 dans la synthèse Fischer-Tropsch. La stratégie développée peut être étendue à d'autres catalyseurs et réactions catalytiques pour l'hydrogénation sélective. - Développement d'une méthode de criblage virtuel des catalyseurs dans la modélisation SEMK pour l'identification des descripteurs dominants. Un conseil consultatif industriel a également été mis en place pour le projet composé de 22 entreprises (13 flamandes, 4 wallones, 4 française et 1 néerlandaise) couvrant l’ensemble de la chaîne de valeur du projet PSYCHE : - Gestion des déchets: Indaver (Vl), Vanheede (Wl), Suez (Vl), Galloo (Vl), Comet Traitement (Wl), Fost Plus (Vl), Tivaco (Wl) et NUD Global (Vl) - Gazéification: AVGI (Vl), Engie (Vl) et Energo Green (Fr) - Production de plastiques: Unilin (Vl), Recticel (Vl), Dow (Nl), TotalEnergies Feluy (Wl), Coperion NV (Vl) et Teamcat Solutions (Fr) - Utilisateurs: Ostend Basic Chemicals (Vl), Ematco (Vl), Arcelor Mittal (Vl), Bonduelle (Fr) et Telene SAS (Fr) Une réunion de lancement a eu lieu avec le conseil consultatif industriel le 25 septembre 2019, au cours de laquelle une première introduction au projet a été donnée. Depuis, une réunion du consortium a lieu tous les 6 mois en présence du comité consultatif. Au total, 7 réunions ont déjà eu lieu avec le conseil consultatif (dont une réunion de lancement). A ces réunions du consortium, les membres du conseil consultatif et les partenaires associés ont reçu des informations de fond concernant le projet et ont la possibilité d'avoir une discussion avec les partenaires du projet. Le 8 décembre 2022, l'événement de clôture du projet PSYCHE a eu lieu en présence des membres du comité consultatif et des parties intéressées externes. L'événement de clôture comprenait une vue d'ensemble de toutes les réalisations effectuées dans le cadre du projet PSYCHE. Dans le cadre du projet (WP5), un atelier annuel a été organisé sur les différents thèmes principaux auxquels un large public industriel (y compris les membres du conseil consultatif) est invité. L'intention est de faire connaître le projet à l'industrie d'une part et d'avoir un ajout précieux de l'industrie basé sur leurs connaissances pratiques du cadre scientifique des ateliers d'autre part. Un premier atelier sur le thème «Traitement des déchets plastiques» a eu lieu le 8 mai 2019 à Gosselies lors des «Greenwin International Conferences Green Chemistry - White Biotechnology». Au total, 39 participants ont pris part à l'atelier provenant des 3 domaines de programme différents ou même au-delà. Un deuxième atelier sur «Gazéification et technologie des chambres vortex» a eu lieu le 14 mai 2020 via Microsoft Teams. Au total, 95 participants ont pris part à cet atelier. Un troisième atelier sur le thème «Purification du gaz de synthèse» a eu lieu le 10 mai 2021, également via Microsoft Teams. Au total, 86 participants ont pris part à cet atelier. Un quatrième atelier sur le thème « synthèse Fischer-Tropsch » a eu lieu le 2 juin 2022 comme un événement hybride (à la fois en direct à UCCS et en ligne). Au total, 203 différents participants ont pris part à cet atelier. Dans le cadre du project (WP5), une série de deux conférences invitées a été également organisée chaque année pour tous les chercheurs intéressés des différents partenaires du projet. Une première série de conférences invitées (assurée par une personne extérieure à l'université), une sur la synthèse Fischer-Tropsch (Andrei Khodakov, UCCS), l'autre sur la gazéification (Juray De Wilde, UCL), ont été organisées le 14 mai 2019 à l'Université de Gand. Une deuxième série de conferences invitees a été organisée le 28 mai 2020 via Microsoft Teams sur la purification des gaz de synthèse (Lilia Ben Mustapha, Certech) et sur la technologie des réacteurs vortex (Kevin Van Geem, UGent). Une troisième série de conferences invtées a été organisée le 27 mai 2021 via Microsoft Teams sur la synthèse Fischer-Tropsch (Mirella Virginie, UCCS) et sur la gazéification (Juray De Wilde, UCL). Une quatrième série de conférences invitées a été organisée le 9 mai 2022 via Microsoft Teams sur le purification du gaz de synthèse (Benoit Kartheuser, CERTECH) et sur la modélisation Fischer-Tropsch (Joris Thybaut, UGent). Ces trois dernières series de conférences sont disponibles sur le site internet du projet PSYCHE en tant que webinaires et sont également disponibles sous forme de vidéos Youtube. Site web: www.psycheplastics.eu