Description détaillée

JP TAGUTCHOU (2008) / Thèse / Gazéification du charbon de plaquettes forestières : particule isolée et lit fixe continu 18 I

I..33..22 DeDessccrriippttiioonn ddeess mmééccaanniissmmeess ddee llaa ggaazzééiiffiiccaattiioonn I.3.2.1 Approche globale

La transformation d’un combustible solide en hydrogène et monoxyde de carbone peut dans une approche globale s’exprimer à partir de l’équation (Eq. 3) [10]. La biomasse a pour formule chimique brute CHαOβ où les coefficients α et β proviennent de l’analyse élémentaire de la biomasse. Wang et al proposent par exemple les valeurs (α =1,4 et β=0,59) pour le bois [11]. Certains auteurs utilisent couramment les valeurs α =1,5 et β=0,7 [12, 13] pour la biomasse tandis qu’on retrouve régulièrement les valeurs α =0,82 et β=0,12 pour ce qui est du charbon minéral [14].

2 2 2 1 2 2 3 4 2 5 2 6 4 7 2

CH O_{α β}+yO zN+ +uH O⇒x C x H+ +x CO x H O x CO x CH+ + + +x N (Eq. 3) L’équation (Eq. 3) englobe toutes les réactions décrites précédemment, à savoir le séchage, la pyrolyse, la combustion, le craquage homogène et la gazéification. Les coefficientsy, z et u sont définis par les conditions opératoires. Cependant, les coefficients

xi ne peuvent pas être calculés simplement. Ces coefficients doivent être déterminés par des mesures expérimentales des quantités de chaque gaz produit. Cette approche est notamment utilisée pour la validation des modèles numériques de gazéification [14-16].

I.3.2.2 Description détaillée

L’ensemble des mécanismes mis en jeu et décrits en Figure 9 (cf §I.3 page 15) se produisent simultanément ou successivement en fonction de la technologie et des conditions opératoires.

I.3.2.2.a/- Le séchage

Le séchage est le premier phénomène qui a lieu lorsque l’on soumet la biomasse à un traitement thermique. Durant cette étape endothermique, l'humidité présente dans la biomasse est évacuée par évaporation.

L’eau contenue dans le bois à l’état vert est constituée d’eau libre occupant les vides naturels (fibres, vaisseaux) et d’eau liée adsorbée par la matière cellulosique (hémicellulose).

La phase d’évacuation de l’eau libre (liée énergiquement par de faibles forces de capillarité) se passe en premier lieu, sans déformation du matériau. La deuxième étape d’évacuation de l’eau liée se traduit par la reconstitution des liaisons correspondant à l’état de cellulose anhydre accompagné éventuellement d’un rétrécissement du matériau [17-19].

I.3.2.2.b/- La pyrolyse

Cette phase est encore appelée carbonisation, lorsque l’objectif est la production du charbon de bois, ou dévolatilisation lorsqu’elle est considérée comme première étape de la combustion. Sous l'effet du chauffage, les matières volatiles se forment à l'intérieur de la particule par rupture des liaisons des macro-polymères constitutifs de la biomasse que sont la cellulose, l'hémicellulose et la lignine, puis sont évacuées. Si on exclut l'énergie nécessaire au chauffage, cette phase de formation de matières volatiles peut être considérée comme

globalement athermique. On aboutit ainsi à un ensemble de produits constitués de gaz incondensables (CO, CO2, H2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6), de gaz condensables composés essentiellement de vapeur d’eau, de composés organiques encore appelés « goudrons » et enfin d’une matrice fortement carbonée et poreuse : le char (ou charbon de bois). Les proportions massiques de ces produits varient en fonction des conditions opératoires et des propriétés de la biomasse initiale. Pour la pyrolyse lente en lit fixe par exemple, les fractions massiques sont environ : char, 20%; vapeur d’eau, 25%; goudrons, 20%; CO, 18%; le reste étant réparti entre le CO2 (11%), l’H2 (1%) et enfin les hydrocarbures légers (5%) [20, 21].

Cette phase de pyrolyse se déroule suivant trois étapes principales : - dégradation des hémicelluloses du bois entre 300°C et 400°C ; - dégradation des celluloses entre 400 et 450°C ;

- la dégradation de la lignine pour des températures supérieures à 450°C ;

Ces plages de température sont susceptibles de varier en fonction des conditions opératoires et du type de bois (bois dur, bois tendre). Plusieurs études sont aujourd'hui menées sur la pyrolyse pour la production du charbon ou des bio-huiles, comme première étape de conditionnement de la biomasse avant gazéification. Pour plus de détails sur les procédés de pyrolyse ainsi que les mécanismes mis en jeu, le lecteur pourra se référer à plusieurs travaux de la littérature [10, 22-34].

I.3.2.2.c/- Oxydation homogène des matières volatiles

Durant ces étapes du procédé, les matières volatiles produites lors de la phase de pyrolyse sont oxydées grâce à un apport d’oxygène, d'air et/ou de vapeur d’eau. On parle alors de combustion des matières volatiles si l’agent oxydant est l’oxygène ou de reformage des goudrons si l’agent oxydant est de la vapeur d’eau.

I.3.2.2.d/- Craquage homogène des goudrons

Sous l'effet uniquement de la température et dans certains cas de la pression, on peut aussi assister au fractionnement des grosses molécules, on parle alors de craquage homogène des goudrons. Les goudrons sont des composés organiques condensables à des températures d'environ 300°C, présents dans les gaz de pyrolyse et gazéification. Ces composés sont des polluants très néfastes pour l'utilisation en aval des gaz. On distingue trois grands types de goudrons [16] :

- les goudrons primaires qui sont les dérivés de la décomposition de la cellulose, des lignines et des hémicelluloses ;

- les goudrons secondaires (phénol, pyridine) ;

- les goudrons tertiaires constitués d'aromatiques alkylés, d'hydrocarbures aromatique polycycliques (HAP), de naphtalène, de fluoranthène, de chrysène.

---

JP TAGUTCHOU (2008) / Thèse / Gazéification du charbon de plaquettes forestières : particule isolée et lit fixe continu 20 I.3.2.2.e/- La gazéification ou oxydation hétérogène du char (au H2O, CO2, et O2) Dans cette étape, la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone principalement attaquent le carbone du char à des niveaux de température supérieurs à 800°C. C’est dans cette étape de réduction qu’ont lieu les réactions chimiques de gazéification du char (R1 et R2) :

2 2

C H O+ ⎯⎯→CO H+ Gazéification à la vapeur d'eau (-118,5kJ/mol)

R1

2 2

C CO+ ⎯⎯→ CO Gazéification au dioxyde de carbone (-159,5kJ/mol)

(Equilibre de Boudouard) R2

La réaction d'oxydation du char est importante et doit être prise en compte (Réaction R3) :

2 2/

C O+ ⎯⎯→CO CO Combustion (+393,5kJ/mol) R3 I.3.2.2.f/- Réaction homogène de shift (WGS –Water Gas Shift)

En dehors des réactions hétérogènes, il existe plusieurs autres réactions en phase homogènes. La plus importante de ces réactions est la réaction endothermique de shift (Réaction R4).

1

2 2 2 2

CO H O+ ←⎯⎯⎯⎯→CO +H Réaction du gaz à l'eau (-42,3kJ/mol)

("Water-Gas Shift reaction") R4 Cette réaction est aussi appelée réaction de conversion déplacée à la vapeur d'eau.

I.I.33..33 TeTecchhnnoollooggiieess ddee ggaazzééiiffiiccaattiioonn

Le choix d'un type de procédé est guidé par différents paramètres tels que la taille de l'installation, le combustible utilisé, l'usage du gaz produit ou la maturité des technologies.