Analyse des condensats

JP TAGUTCHOU (2008) / Thèse / Gazéification du charbon de plaquettes forestières : particule isolée et lit fixe continu 160

En sortie du condenseur, les gaz incondensables passent par un compteur volumétrique qui mesure les débits prélevés. Une pompe permet le prélèvement à des débits relativement faibles (~10L/min) pendant une durée déterminée par un chronomètre dont le déclenchement et l'arrêt sont commandés par la mise en marche et l'arrêt de la pompe. Ceci permet de mieux synchroniser le prélèvement (pompe) et la mesure des débits prélevés (compteur).

Une partie des gaz incondensables est envoyée en continu vers les colonnes de la

"micro-GC" pour analyse.

IV.3.2.2 Analyse des gaz incondensables

Les gaz incondensables sont analysés à l'aide de la "micro-GC" (micro-Chromatographe en phase gazeuse. Cet appareil échantillonne les gaz toutes les 180 secondes et les repartit sur deux colonnes. Les colonnes fonctionnent sur la base du principe de tamis moléculaire séparant les espèces gazeuses en fonction de leur temps de rétention. Chaque colonne est reliée à un catharomètre (Thermal Conduction Detector) qui détecte une différence de conductivité thermique lors du passage du gaz. Chaque colonne disposant de caractéristiques spécifiques est destinée à l'analyse d'espèces bien précises :

- La colonne A fonctionne avec l'Argon comme gaz vecteur, à une température de 120°C et une pression de 100 kPa ; cette colonne permet de séparer les espèces suivantes : N2, O2, H2, CO, CH4.

- La colonne B, quant à elle, fonctionne avec l'Hélium comme gaz vecteur, à une température de 45°C et une pression de 75 MPa ; cette colonne permet de séparer les espèces suivantes : CO2, CH4, C2H4, C2H6.

La micro-GC est préalablement étalonnée à l'aide des gaz étalons spécifiques pour chaque espèce et dans les gammes d'étalonnage bien précises. Cet étalonnage est réalisé régulièrement tous les trois mois environ en fonction de la fréquence d'utilisation et de la qualité des gaz analysés.

Cet analyseur de gaz donne au final la fraction molaire de chaque espèce gazeuse par rapport à la quantité totale des incondensables échantillonnés. Pour avoir la composition finale du gaz produit, il est nécessaire de prendre en compte la fraction représentant les condensats (vapeur d'eau et éventuels goudrons).

IV.3.2.3 Analyse des condensats

Les bulleurs permettent de récupérer les condensats dissouts dans l'isopropanol. Par différence entre la masse du mélange et la masse du solvant introduit dans les bulleurs, on obtient la masse des condensats. En rapportant ensuite la masse des condensats à la durée de prélèvement, on obtient le débit moyen des condensats. Ceux-ci sont ensuite analysés en laboratoire par dosage Karl-Fischer. Cette méthode est basée sur la réaction de Bunsen entre l'iode et le dioxyde de soufre dans un milieu aqueux :

2 2 2 2 4 2

I +SO +H O⎯⎯→H SO + HI (Eq. 130)

Le dosage Karl-Fisher permet de déterminer la teneur massique en eau du mélange récupéré dans les bulleurs, et donc le débit d'eau prélevé. En additionnant cette quantité d'eau à la quantité totale des gaz incondensables, on détermine la composition centésimale du gaz issu du réacteur.

Par la suite, l'azote, inerte par rapport à la réaction de gazéification, est utilisé comme traceur. A partir du débit d'air d'entrée Q_air et de la fraction d'azote dans cet air

N2

xair, le débit total du gaz au point de prélèvement Q_gaz est alors calculé par :

2 2

g air

gaz N air N

Q x = Q x

Où N2

xg , est la fraction molaire d'azote dans le gaz humide au point de prélèvement, obtenue après analyses chromatographique et Karl-Fisher.

Connaissant le débit total des gaz, et les fractions molaires, les débits volumique et massique de chaque espèce peuvent être calculés.

Les échantillons de condensats sont également passés dans un d'analyse spectrométrique à masse (GC-MS) afin de déterminer le taux de goudrons éventuels.

IV.3.2.4 Problème d'échantillonnage lié à l'évaporation de l'isopropanol Pendant l'échantillonnage des gaz, nous avons détecté un problème non négligeable lié à l'évaporation de l'Isopropanol. En effet, si les débits d'échantillonnage ne sont pas très élevés et/ou la température du bain de refroidissement des condenseurs pas suffisamment faible, il y a évaporation de l'Isopropanol. Si cela survient, le solvant en phase gazeuse se retrouve alors mélangé au gaz analysé par la "micro-GC". Etant donné que cet appareil ne permet pas de détecter ce genre de composé, les fractions molaires des espèces gazeuses renvoyées sont alors sous-estimées, puisqu'elles sont rapportées à une quantité totale de gaz prenant en compte le solvant évaporé.

Face à ce problème, nous avons proposé une méthode permettant d'estimer et de prendre en compte la quantité de solvant évaporée, afin d'affiner les résultats fournis par la "mico-GC".

En supposant que la production de goudrons est négligeable, on peut admettre que le contenu des bulleurs comprend de l'eau et du solvant. Le résultat de l'analyse Karl-Fischer permet d'obtenir alors la masse d'eau et celle du solvant non évaporé. La masse du solvant évaporée est alors obtenue par différence avec la masse initiale du solvant introduite dans les bulleurs. Cette masse peut être ramenée à un débit volumique d'évaporation du solvant en prenant en compte la durée de prélèvement. Finalement ce débit d'évaporation est utilisé pour corriger les résultats de la composition des gaz secs (incondensables).

Les différents tests de vérification effectués ont montré que la non prise en compte de ce phénomène entraînait une erreur d'environ 5% sur les mesures des concentrations.

--- JP TAGUTCHOU (2008) / Thèse / Gazéification du charbon de plaquettes forestières : particule isolée et lit fixe continu 162

A noter que cette erreur peut être réduite par la bonne maîtrise des conditions d'échantillonnage (débit et pression d'échantillonnage, température du bain). Pour baisser au mieux la température sans risque de congélation, nous avons choisi d'utiliser un bain de liquide de refroidissement, qui peut atteindre -10°C en restant en phase liquide. Par ailleurs, l'instrumentation de la ligne d'échantillonnage a été améliorée dans le cadre de ce travail pour permettre un bon contrôle, un accès facile et des mesures précises des paramètres de contrôle de l'échantillonnage (Figure 73). Ces paramètres sont essentiellement la température du bain, la pression des gaz, la température des gaz, le débit d'échantillonnage, le débit de prélèvement de la micro-GC, la pression d'aspiration de la micro-GC.

Figure 73 : Vue de face de la ligne d'échantillonnage pendant les analyses.

Température des gaz

Filtre Micro-GC

Ecran d'affichage Pression d'injection à la M-GC

Pression des gaz

Compteur

Cryostat Pression de prélèvement

Température du bain Chronomètre Visualisation de quelques

chromatographes

IVIV..44 DDEERROOUULLEEMMEENNT T DD''UUNENE EEXXPPEERRIIEENNCCEE

Un premier objectif est de parvenir à un régime permanent, ce qui reste très complexe dans ce genre d'installations :

& les conditions opératoires doivent être stables (température d'attaque du lit, débits

d'alimentation des gaz et du char) ;

& la hauteur du lit doit être maintenue constante ;

& la composition des gaz doit être constante dans le temps aux divers points de

prélèvement considérés ;

& les températures doivent être constantes en divers points du lit, à l'exception de celle

servant au contrôle du niveau du lit (T4) ;

& les pertes de charge doivent rester constantes ;

& le débit de décendrage doit être constant (décendrage de la même masse à chaque

période de décendrage).

IVIV..44..11 PrProoccéédduurree eexxppéérriimmeennttaallee Une expérience peut durer entre 12 et 16 heures.