Changement d'échelle

JP TAGUTCHOU (2008) / Thèse / Gazéification du charbon de plaquettes forestières : particule isolée et lit fixe continu 28 équipements annexes (vis, transport, isolation et traçage thermique, …) influencent aussi le rendement global et nécessitent donc une attention particulière. Un des défis techniques est de contribuer aux solutions d'optimisation des différents paramètres du procédé afin d'en augmenter les rendements de production.

I.3.5.4 Changement d'échelle

Certains procédés atteignent aujourd'hui une maturité suffisante pour passer à la phase d'industrialisation. Mais la rentabilité des projets commerciaux est encore très critique. L'effet d'échelle permettrait de réduire les coûts de construction et de fonctionnement par unité de puissance fournie. Cependant le changement d'échelle nécessite encore aujourd'hui des progrès techniques pour permettre le passage à des installations de taille plus importante.

I.I.44 POPOSISITTIIOONNNNEEMMEENNTT EETT OOBBJJEECCTTIIFFSS DDEE LLAA TTHHEESSEE

Ces travaux constituent la suite des travaux de thèse de MlleFloriane Mermoud (02 juin 2006) [2]. Nous proposons ici de présenter les enjeux industriels et scientifiques de la présente étude avant de positionner notre contribution aussi bien dans le contexte général de la gazéification que par rapport aux précédents travaux.

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I..44..11 EnEnjjeeuuxx iinndduussttrriieellss

L'enjeu industriel global de la gazéification est la maîtrise du procédé complet, tout en optimisant les différentes étapes du processus en fonction de l’utilisation en aval du gaz produit.

Dans l'objectif de contribution au développement durable des pays émergeants (mission du CIRAD), notre étude est axée vers la production décentralisée d'électricité. Les réacteurs de moyenne puissance (comprise entre 1 et 5 MWth) sont plus adaptés aux besoins ciblés.

Etant donné que les réacteurs à lit fluidisé ne sont pas rentables en dessous de 5 MWth, les réacteurs à lit fixe pourraient être les mieux adaptés à nos besoins. Mais, ceux-ci éprouvent encore des difficultés techniques de mise en œuvre pour des puissances supérieures à 1MWth. Compte tenu des besoins et de la demande croissante, le changement d'échelle des réacteurs à lit fixe constitue un enjeu industriel considérable. En effet, il est à l'origine des problèmes techniques pour la bonne conduite du procédé : pertes de charge élevées et formation des passages préférentiels. Il résulte le plus souvent de ces problèmes une production de gaz de moins bonne qualité et avec plus d'impuretés.

Les contraintes liées à l'épuration des gaz produits (contenant généralement de fortes teneurs de goudrons) peuvent aussi compromettre la rentabilité économique des procédés. La mise en œuvre des procédés qui permettent de produire des gaz "propres" (moins exigeants en système d'épuration) est également un enjeu industriel.

Les réacteurs étagés (Figure 14) se positionnent aujourd'hui avec beaucoup d'espoir comme capables d'apporter des solutions aux problèmes de changement d'échelle et de qualité des gaz. La particularité de ces réacteurs est que les étapes de pyrolyse et de gazéification sont physiquement découplées. Ceci offre l'avantage de mieux contrôler l'étape de gazéification du char et d'en augmenter le rendement. De plus, les goudrons sont en majorité produits dans l'étape de pyrolyse : ils subissent un craquage thermique et un reformage en traversant le réacteur de gazéification, ce qui limite les quantités finales à la sortie du réacteur. Des études sur plus de 2000 heures de fonctionnement de l'installation "Viking", considérée comme une référence, ont montré que la teneur de goudrons pouvait facilement décroître jusqu'à moins de 0,025 g/Nm³ à la sortie du réacteur [37].

La zone de réduction est identifiée comme limitante pour le procédé global de gazéification. C'est donc cette zone encore mal connue qui focalise notre attention dans la problématique générale de cette étude.

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JP TAGUTCHOU (2008) / Thèse / Gazéification du charbon de plaquettes forestières : particule isolée et lit fixe continu 30 Au final, l'enjeu industriel au terme de cette étude sera de comprendre le déroulement des processus et de les modéliser pour aider à la conception de nouveaux réacteurs.

Figure 14 : Schéma de conception d’une installation de gazéification étagée identifiant notre zone d'étude [37]

Zone de Gazéification proprement dite

(ZONE D'ETUDE) Zone d’oxydation

partielle Zone de pyrolyse

I.I.44..22 EnEnjjeeuuxx sscciieennttiiffiiqquueess

La gazéification de charbon de bois, d'un point de vue purement scientifique, se décrit comme une réaction hétérogène, c’est-à-dire une réaction de surface entre un solide contenant le carbone (C) et un gaz réactif qui peut être de la vapeur d'eau (H2O) ou du dioxyde de carbone (CO2). Ces deux réactions se produisent au niveau de la surface réactive de la particule. Ce sont des processus très complexes résultant du couplage de plusieurs phénomènes : réactions chimiques, transferts de chaleur et transferts de matière. La compréhension de ce milieu complexe constitue le principal enjeu scientifique de nos recherches.

Plusieurs outils expérimentaux et numériques sont utilisés. Sur le plan expérimental, des équipements pilotes de recherche sont développés en vue de la collecte fiable des données expérimentales. Sur le plan numérique, un modèle numérique prenant en compte les différents mécanismes physiques et chimiques est développé.

Nous avons choisi par ailleurs, une étude à deux échelles :

& Echelle de la particule isolée qui permet de caractériser les différents

phénomènes à l'échelle microscopique. Ici il est question de comprendre le déroulement des mécanismes à l'échelle de la particule sous différentes atmosphères : vapeur d'eau, oxygène, dioxyde de carbone et mélange vapeur d'eau + dioxyde de carbone.

& Echelle du lit fixe qui permet de comprendre le comportement du lit pendant la

conversion, sur la base des observations macroscopiques des phénomènes mis en jeu. Il s'agit de caractériser le lit fixe dans des conditions opératoires industrielles en terme de comportement :

o thermique (champs de température),

o chimique (champs de production / consommation d'espèces au sein du lit), o mécanique (tassement, "channeling" ou passages préférentiels, perte de charge).

I.I.44..33 PoPossiittiioonnnneemmeenntt ddee nnooss ttrraavvaauuxx

Dans le cadre de cette étude, une collaboration scientifique forte a été nouée entre le CIRAD de Montpellier et l'Ecole des Mines d'Albi-Carmaux (EMAC). L'EMAC abrite une installation d'étude à l'échelle de la particule isolée tandis que le CIRAD dispose d'une installation pilote d'étude à l'échelle du lit fixe. L'ensemble de l'étude a été planifié dans le cadre d'un post-doc (Fabrice GOLFIER) pour le développement du modèle numérique de particule isolée [38] et de deux thèses (Floriane MERMOUD et Jean Philippe TAGUTCHOU) pour les études expérimentales et la validation du modèle numérique.

Ce travail est donc la continuité des travaux amorcés par Mlle Floriane Mermoud [2], dans l'objectif d'aller plus loin dans la caractérisation et la connaissance du lit, ainsi que la compréhension des mécanismes thermochimiques mis en jeu au niveau du lit fixe. La

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JP TAGUTCHOU (2008) / Thèse / Gazéification du charbon de plaquettes forestières : particule isolée et lit fixe continu 32 particularité de ce travail est qu'il est réalisé sur les particules non sphériques (plaquettes forestières) alors que les études précédentes étaient basées sur des particules sphériques. De plus, à l'échelle de la particule, les recherches ont été poussées à l'étude du comportement du char dans d'autres atmosphères que H2O, c'est-à-dire O2 et CO2. Un intérêt est aussi porté sur l'atmosphère mixte CO2+H2O. Un modèle cinétique est proposé, prenant en compte la compétition entre les réactifs. Le modèle proposé a été validé par les résultats expérimentaux, ce qui constitue un point fort de ce travail.

A l'échelle du lit fixe, nous avons poursuivi la mise au point du réacteur et étudié la gazéification dans les conditions d'atmosphère de mélange qui sont les conditions industrielles réelles. A cet effet, l'atmosphère réactive a été enrichie par le couplage d'un générateur de vapeur conçu et développé dans le cadre de ce travail. Dans de nouvelles conditions de fonctionnement, une caractérisation plus poussée du lit a été réalisée. Des bilans de masse et d'énergie précis ont permis d'estimer la contribution de chacune des réactions mises en jeu ainsi que la source de production et de consommation des différentes espèces chimiques mises en jeu. La contribution des différentes réactions endothermiques à la consommation d'énergie a été estimée, tout comme la contribution de la combustion partielle du char et du générateur de vapeur à l'apport d'énergie au lit de gazéification du charbon. Enfin, une étude paramétrique basée sur la concentration de H2O, le débit de char et le ratio H2O/C a permis de déterminer les conditions de production du gaz de synthèse et de mettre en évidence l'importance du paramètre H2O/C dans la conduite et l'optimisation du procédé de gazéification.

CHAPITRE II : ETETUUDDEE BBIIBBLLIIOOGGRRAPAPHHIIQQUUEE DDEE LLAA