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 H2, 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.
48 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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