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4. Analyses comparatives de la gazéification et de la combustion

Par rapport à la combustion, la gazéification de combustibles solides crée un gaz de synthèse

riche en CO et H

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, appelé syngaz, qui doit être débarrassé de ses polluants avant d’être brûlé

en moteur ou turbine. Un lavage permet d’éliminer une grande partie de ces polluants dans le

gaz de synthèse avant utilisation pour production d’énergie, alors que dans le cas de

l’incinération une grande partie des polluants se retrouve dans les gaz de combustion. En

gazéification, l’apport d’air constitue 25-30% de l’air nécessaire à une combustion

stœchiométrique (λ = 0,25-0,3) , là où l’incinération fonctionne avec un excès d’air compris entre

40 et 150% (λ = 1,4-2,5) [17]. De ce fait, le flux de syngaz à traiter est bien plus faible que le flux

de gaz de combustion qui doit être traité en incinération. Le système qui utilisera le syngaz

(turbine ou moteur) ne devra alors pas disposer d’un lourd système de traitement des gaz de

combustion, car cette étape aura été faite sur le syngaz.

Arena [23] a comparé la gazéification et la combustion pour le traitement des déchets ménagers

et en a conclu que la gazéification présente plusieurs avantages, dont les suivants :

• La production du gaz de synthèse permet d’envisager d’autres utilisations que la

combustion directe.

• L’utilisation de moteur ou de turbine pour la production d’électricité permet d’atteindre

des rendements plus importants qu’avec la combustion/turbine à vapeur.

• La température de fonctionnement étant plus faible, cela limite la volatilisation des

métaux en particulier des alcalins, causant notamment des encrassements.

• La gazéification permet d’utiliser des installations plus petites (< 330 t/j) pour la

production d’énergie.

• L’atmosphère réductrice de la gazéification diminue fortement les émissions de dioxines

et furanes.

• Les avancées techniques dans la combustion de gaz (pré-mélange, mélange pauvres)

permettent d’atteindre des taux faibles en NOx.

• Les installations de gazéification sont modulaires (capacité d’adaptation au combustible)

et faciles à installer.

Leckner [24] a comparé la combustion et la gazéification pour la valorisation énergétique des

déchets, mais sur des aspects relatifs aux deux types de procédés. Comme la gazéification

permet d’utiliser de plus petites installations, il semble peu probable qu’une utilisation autre que

énergétique soit économiquement envisageable (typiquement production de carburants liquides

par Fischer-Tropsh) dans le cas de ces « petites » installations.

Le procédé permet de produire de l’électricité à plus petite échelle qu’avec l’incinération.

Comme le gaz de synthèse doit être lavé pour éliminer les potentielles perturbations liées à des

polluants lors de la combustion du gaz de synthèse cela crée de nouveaux effluents (liquide et

solide), qui sont alors à traiter en accord avec les normes environnementales.

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4.1. Choix de la gazéification à l’air en lit fixe co-courant

Il existe deux grands principes de fonctionnement pour les réacteurs de gazéification à savoir :

• Les réacteurs à lit fixe

• Les réacteurs à lit fluidisé

Table 5: Contraintes sur le combustible et conditions opératoires de 4 types de réacteurs de gazéification [25]

Type de réacteur Co-courant Contre-courant Lit Fluidisé Lit Circulant Contraintes sur le combustible

Taille particule – mm 20 - 100 5 - 100 10 - 100 < 1

Humidité - %m < 20 < 50 < 40 < 15

Cendres - %m-sec < 5 < 15 < 20 < 20

Morphologie particules uniforme presque uniforme uniforme uniforme

Densité vrac - kg/m3 > 500 > 400 > 100 > 400

Fusion des cendres - °C > 1250 > 1000 > 1000 > 1250

Sortie du procédé

Température - °C 700 - 1200 700 - 900 < 900 < 900

Concentration en Goudrons faible haute modérée modérée

Contrôle facile très facile complexe complexe

Echelle de puissance (MWth) < 5 < 20 10 – 100 > 20

PCI du gaz de synthèse –

MJ/Nm3 4,5 – 5 5 – 6 4 – 4,5 5,5 - 6

Les réacteurs à lit fluidisés nécessitent des équipements particuliers, notamment pour la

fluidisation du lit, qui ne permettent pas une utilisation économiquement rentable à petite

échelle. Il faut posséder un minimum de compétences pour pouvoir maîtriser ce type de

procédé. L’utilisation d’un lit fluidisé permet d’augmenter significativement les échanges

thermiques du lit de solides inertes vers les particules de combustible. Ceci permet d’assurer

une meilleure conversion et d’augmenter le débit de combustible (donc la puissance de

l’installation), ainsi qu’un craquage des goudrons. Cependant, la température maximale est

limitée (max 900°C) afin d’empêcher la fusion des cendres et l’agglomération de ces cendres

aux particules du lit, entraînant un changement des conditions du régime de fluidisation. Cette

limitation en température conduit donc à une teneur modérée en goudrons dans le syngaz. De

plus, ce procédé requiert un broyage poussé du combustible afin d’obtenir de petites particules

(en particulier pour le lit fluidisé circulant), ce qui entraîne une forte présence de particules fines

dans le gaz de synthèse. Cela en fait cependant son principal avantage, qui est de pouvoir

utiliser presque tous types de combustibles.

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Les réacteurs à lit fixes sont quant à eux plus simples d’utilisation et couvrent une gamme

relativement large allant de la petite à la moyenne échelle (5 MWth) pour les lits co-courant, et

jusqu’à la grande échelle (20 MWth) pour les lits contre-courant. Les équipements annexes au

réacteur sont relativement simples et rendent aisé le contrôle de ce type de réacteurs. En

comparaison du lit fluidisé, les lits fixes n’ont pas systématiquement de système

d’homogénéisation, ce qui augmente la contrainte sur la qualité du combustible. De plus, la

température dans le réacteur n’est pas homogène et décroit en fonction de la distance à la zone

d’oxydation (voir chapitre 3, section 1.1 page 74).

Les réacteurs à lit fixes contre-courant sont moins contraignants que les lits co-courant sur la

qualité du combustible. Ainsi, l’humidité du combustible peut atteindre les 50% avec les lits

contre-courant, alors qu’un maximum de 20% est souvent conseillé pour les lits co-courant [25].

Par contre, la température de la zone d’oxydation est plus faible pour les réacteurs

contre-courant (900°C) que pour les lits co-contre-courant (jusqu’à 1200-1300°C). Cette plus haute

température permet une meilleure conversion du solide, assurant aussi un craquage plus

poussé des goudrons.

En résumé, les réacteurs lit fixe co-courant se présentent comme l’option optimale pour la

gazéification. En effet, ils couvrent une gamme de puissance allant de la petite à la moyenne

puissance, tout en bénéficiant d’un contrôle simple du procédé. Ce type de procédé peut donc

être déployé pour de l’électrification rurale comme pour une production à plus grande échelle.

La zone d’oxydation, située en partie basse du réacteur peut atteindre les 1200-1300 °C,

permettant à la fois une bonne conversion solide-gaz et un craquage des goudrons. Ce type de

réacteur est détaillé au chapitre 3, section 1 page 74.

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