2 CHAPITRE : GENERALITE SUR LES GOUDRONS
2.6 Elimination des goudrons
2.6.1 Elimination Physique des goudrons
Plusieurs méthodes physiques d’épuration des goudrons, contenus dans le gaz produit par gazéification existent. Les plus courantes sont :
des méthodes dites «humides» qui consistent en l’extraction des goudrons, par lavage à l’eau ou avec un autre solvant, du gaz refroidi (tour de pulvérisation, tour de lavage…) [7,12] ;
des méthodes de traitement du gaz sec, qui consistent en une isolation des goudrons à l’aide de cyclone, par précipitation électrostatique ou par des méthodes de filtration (filtre à sac, filtre céramique, lit de sable ou de charbon…) [12].
C’est le cas de Songhaï : les goudrons sont récupérés dans de l’eau de lavage en sortie de la chambre de lavage. Si ces derniers sont réputés éprouvés, les problèmes rencontrés notamment sur les petites installations, montrent que l’épuration du gaz par ces méthodes physiques n’est pas suffisamment efficace puisque le gaz n’atteint pas encore la qualité requise pour les applications de valorisation du gaz de synthèse. Une épuration supplémentaire est donc nécessaire. De plus, l’inconvénient des méthodes physiques
toxiques. Enfin, tous les goudrons isolés par méthodes physiques constituent de la matière non valorisée, ce qui réduit les rendements énergétiques. De ce point de vue, les traitements thermiques et catalytiques des goudrons s’avèrent plus intéressants, dans la mesure où ils ont pour objectif de convertir le contenu énergétique des goudrons sous forme de gaz valorisable.
2.6.2 L’élimination chimique des goudrons 2.6.2.1 Reformage et/ou craquage à la vapeur
La vapeur d’eau est produite dans toutes les méthodes de gazéification. Il arrive qu’on ajoute une quantité supplémentaire comme agent oxydant lors de la gazéification et donc lorsque la température augmente, le taux de goudrons diminue. En effet, l’addition de vapeur d’eau permet de produire des goudrons avec des liaisons de type phénoliques et -C-O-C- plus facilement réformables, principalement en benzène, toluène et phénol. Le naphtalène est un précurseur de la suie, et la présence d’hydrogène semble inhiber sa formation (ordre de réaction négatif) et l’eau permet quant à elle de gazogène rapidement une partie de la suie. La vapeur d’eau influe légèrement sur la conversion des aromatiques mais produit des goudrons qui sont faciles à convertir [12 13 10].
2.6.2.2 Destruction Catalytique
Il existe deux types de catalyseurs : les catalyseurs primaires, qui sont directement en contact avec la biomasse lors de la gazéification, et les catalyseurs secondaires qui sont placés dans un réacteur indépendant de la gazéification opérant ainsi dans des conditions différentes de la gazéification. Les plus connus sont :
Les métaux alcalins :
Les catalyseurs (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) sont des catalyseurs primaires. Le potassium et, dans une moindre mesure, le sodium se trouvent dans la biomasse mais ils peuvent être ajoutés à cette dernière directement par imprégnation humide ou par mélange à sec. Par ailleurs, ces catalyseurs peuvent être utilisés sous forme de carbonates ou sur un support d’un autre matériau, l’alumine par exemple.
Les Oxydes (oxydes non métallique):
Les dolomites :
Les dolomites (espèce minérale formée de carbonate de calcium et de magnésium, de formule chimique MgCO3CaCO3 avec des traces de Fe, Mn, Co, Pb et Zn), sont utilisées à haute température (800 - 900°C). Leur composition change avec leur origine géographique (voir Tableau 4) mais elles contiennent en général 30% en masse de CaO, 21% en masse de MgO et 45% de CO2. Elles contiennent également des traces de minéraux tels que SiO2, Fe2O3 et Al2O3 [4].
Tableau 2.3: Composition massique de différentes dolomites [4]
Origine du
Les dolomites ont une activité supérieure lorsqu’elles ont été calcinées préalablement car cette calcination permet la réduction des carbonates et l’élimination du CO2. Certains auteurs démontrent une activité dix fois plus grande des dolomites calcinées par rapport aux dolomites brutes.
difficultés rencontrées avec l’ajout de dolomite en lit fluidisé est sa relative friabilité, entraînant la formation de fines d’attrition, et donc l’apparition d’envols minéraux dans le gaz de synthèse.
L’olivine :
L’olivine (minéral naturel abondant de formule ((MgFe)2Si04), dont l’activité catalytique est due à la magnésite (MgO) et à l’oxyde fer III (Fe2O3), présents à hauteur de 7% en masse.
Moins sujet à l’attrition que la dolomite, sa dureté mécanique est comparable à celle du sable, même à haute température. L’olivine est considérée comme étant le matériau le plus prometteur pour le craquage des goudrons en lit fluidisé.
Tableau 2.4 : Composition élémentaire de l’olivine
Élément Mg Si Fe Ni Ca Al Cr
% massique 30,5 19,6 7,1 0,19 0,20 0,07 0,08
Catalyseurs métalliques :
A base de nickel, disponible sur le marché grâce à leurs applications répandues dans l’industrie pétrochimique pour le reformage du méthane et du naphta, ils sont très efficaces pour la conversion des hydrocarbures et agissent mieux en tant que catalyseurs secondaires situés dans un réacteur aval. Leur activité et leur longévité sont optimales pour une température de 780°C dans un réacteur à lit fluidisé. Le nickel catalyse également la destruction des composés azotés comme l’ammoniac en azote et en hydrogène. Ce matériau rencontre néanmoins des problèmes de désactivation par empoisonnement à l’H2S, par les sulfures, les chlorures métalliques, les oxydes alcalins ainsi que par formation de coke à la surface. Toutefois, le coke peut être éliminé par régénération du catalyseur à température élevée en présence d’oxygène. On souligne également des effets d’agglomération d’autant plus importants que la quantité de goudrons dans les gaz est élevée. Les pertes de matériau doivent être contrôlées car le nickel est toxique pour l’environnement [10].
Les oxydes métalliques V2O5, Cr2O3, Mn2O3, Fe2O3, CoO, NiO, CuO, MoO3 sur support Al2O3 conduisent à un rendement élevé en gaz. Cependant, la composition du gaz produit
varie fortement avec le type de catalyseur choisi. MoO3, CoO et V2O5 produisent une plus grande quantité de CO2, tandis que NiO, Cr2O3 et Fe2O3 produisent l’effet inverse. Ainsi, le catalyseur le plus favorable est NiO/Al2O3, qui permet de produire un gaz ayant un rapport H2/CO égal à 2 [10].
2.6.2.3 Craquage thermique
Le principe du traitement thermique consiste à soumettre le gaz produit à une température élevée (> 900 °C), dans le but de craquer les goudrons en des molécules de gaz incondensables. A 900 °C, il est possible de craquer plus de 98% des molécules contenant un noyau phénol [12,13]. Les molécules aromatiques désoxygénées sont beaucoup plus difficiles à convertir. Le craquage des noyaux aromatiques de ces molécules nécessite des températures supérieures à 1000 °C, voire 1200 °C pour les molécules les plus réfractaires. Il est à souligner que cette méthode permet non seulement de détruire les goudrons mais aussi de les convertir en gaz principalement le CO et d’augmenter ainsi le PCI du syngas.
Les problèmes associés à cette méthode sont la forte dépense énergétique de chauffer le réacteur à une température supérieure à 1100°C et le risque de la fusion de la cendre. En effet, au-delà de 900°C, la cendre se fond et peut produire des agglomérats de mâchefer, entrainant ainsi des risques de rétention et de blocage des matières en cours de transformation [10].
Une alternative plus prometteuse consiste à utiliser des catalyseurs, qui favorisent les réactions de craquage thermique des goudrons aux alentours de 900°C tout en associant l’action des agents oxydants (O2, air, vapeur d’eau). On peut aussi effectuer du craquage thermique pur hors réacteur à 900°C mais en augmentant le temps de séjour du gaz pour une meilleure élimination et conversion des goudrons.
2.6.3 Etude comparative des méthodes d’élimination :
La comparaison de ces différentes méthodes permet de les confronter du point de vue
Tableau 2.5 : Comparaison des méthodes d’élimination
Réduction du taux de goudrons et production des goudrons
Bon marché et abondant ; haute conversion des goudrons ~95 % conversion avec les dolomites 10 fois plus actifs que les
dolomites
- augmentation du PCI du syngas
-Dans le 1er cas, il y a risque de fusion des cendres -Nécessite une dépense énergétique
Conclusion
Nous retenons que les goudrons sont des molécules organiques généralement toxiques, contenues dans le syngas, susceptibles de se condenser dans les dispositifs situés en aval du réacteur de gazéification entrainant leur usure précoce. Par conséquent, le gaz de synthèse produit, en fonction des modes de valorisation, devra respecter des teneurs strictes en goudrons pour être utilisé en aval du gazogène. En tenant compte de la comparaison de ces méthodes de traitement de goudrons et en considérant certains paramètres du gazogène OVN-Bio du centre songhaï, il serait ingénieux d’appliquer dans un premier temps le craquage thermique pur à 900°C en agissant sur le temps de séjour du gaz, dans un second temps de craquer catalytiquement (avec la dolomite par exemple) et enfin d’appliquer les deux simultanément afin de choisir la meilleure solution.
DEUXIEME PARTIE : ETUDE TECHNIQUE DU GAZOGENE ET
DU SYSTEME DE PURIFICATION Du GAZ
3
CHAPITRE 3 : DESCRISTION TECHNIQUE ET DIAGNOSTIC DU GAZOGENE OVN-BIO MODELE INDIEN
Introduction
La mise en place de la plateforme de gazéification au centre Songhaï a pour but de couvrir d’une partie des besoins en électricité et en chaleur du centre à travers la valorisation des résidus agricoles qu’il produit. Le gazogène OVN Bio installé, présente l’avantage d’être adapté aux bois, aux coques de noix de coco et de noix palmiste tous disponibles au centre.
Dans ce chapitre, il sera question de faire une description technique du gazogène.
3.1 Présentation du gazogène et Biomasse adaptée
Le fonctionnement du système de gazéification au centre Songhaï est exposé à la figure 3.1 ci-dessous. Les déchets agricoles obtenus après transformation et consommation des produits agricoles sont prétraités et injectés dans le gazogène. Cette machine convertit ces déchets en électricité et chaleur grâce à un co-générateur qui lui est accouplé. Les sous-produits (cendre, charbon, goudrons …) sont utilisés comme fertilisant agricole d’où l’intégration de système.
Figure 3.1 : Circuit intégré de valorisation de déchet agricole par la gazéification
1 2
3
7
4 6 5
Le gazogène OVN Bio, modèle indien, dispose d’un réacteur pour la production du gaz de synthèse, d’un système d’épuration physique puis d’un générateur produisant de l’énergie électrique et de la chaleur à partir du gaz. L’agent gazéifiant utilisé par ce gazogène est de l’air. C’est un gazogène co-courant c’est-à-dire que la biomasse et le gaz suivent le même sens au sein du réacteur. Le souffleur à gaz aspire l’air à travers les trois buses d’airs situés sur les côtés du réacteur favorisant la combustion. Ce gazogène est adapté pour les conversions thermochimiques de biomasse solide de types bois énergie (Acacia auriculiformis ou Eucalyptus Senegalensis), coques de noix de coco et de noix de palme.
Le circuit du gazogène en 2D (dans le plan) se présente comme suit :
Figure 3.2: Schéma du processus de gazéification (gazogène OVN-Bio) [18]
Cette figure indique qu’après le déroulement des quatre étapes de la gazéification au sein du réacteur, le mélange gazeux brut produit, passe à travers le cyclone pour y être séparé partiellement des cendres, poussières et goudrons qu’il renferme. En effet, la densité des particules étant supérieure à celle du gaz, elles sont forcées de s’approcher de la paroi du
cyclone où, une fois déposées, elles sont transportées vers le bas pour être récupérées. Le gaz maintenant libéré d’une partie de sa charge de poussière, remonte par le centre du cyclone.
Ce gaz chaud est ensuite nettoyé et refroidi deux fois successivement par les coolers 1 et 2 du scrubber (système de pulvérisation d’eau). Les pièges à eau 1 et 2 disposés avant et après le chill cooler, servent de déshumidificateurs du gaz. Le chill cooler appelé « chiller » (une unité de refroidissement) diminue considérablement la température du gaz. Le flare ou torchère est un indicateur de la présence du gaz ainsi que de sa qualité (couleur orange signifie de qualité). Cette torchère est allumée une dizaine de minutes après le démarrage du gazogène. Une fois la qualité du gaz est bonne, le co-générateur peut être démarré.
Le souffleur de gaz assure une bonne circulation du syngas et la régulation de son débit au niveau du co-générateur. Deux unités de filtres disposés en parallèle pour filtrer une dernière fois le gaz avant son injection dans le moteur. Pour mieux comprendre la figure précédente, cette figure 3.3 donne une vue partielle mais plus claire du gazogène.
Figure 3.3: Identification des différents éléments composant l’OVN-Bio [3]
3.1.1 Le réacteur :
Le réacteur du gazogène est en forme d'enveloppe cylindrique composé de trois couches.
carreaux de céramique composé en grande partie composé d'alumine. En effet, l’alumine ou oxyde d’aluminium (Al2O3) possède une température de fusion très élevée (2054 °C) et résiste efficacement à la chaleur.
Le chargement de la biomasse se fait par le couvercle supérieur. Les sous-produits sont évacués par le réservoir de bio char voir figure 3.4. La couverture supérieure est maintenue ouverte durant le fonctionnement du système pour permettre l’entrée d’air nécessaire pour la combustion, en plus des trois buses d’air ; et pour faciliter l’ajout de la biomasse au cours de la production. Ce qui nous permet d’avoir une pression au sein du réacteur égale à la pression atmosphérique (105 Pa) et une température de combustion sensiblement égale à 800°C. La vis sans fin, entrainé par un moteur permet de décharger ou de vider le réacteur.
Figure 3.4 : Réacteur de l’OVN-Bio
3.1.2 Le système d’épuration physique
Le gaz chargé d’élément gênant (poussière, goudrons, alcalins, cendres etc.), doit subir tout un processus de filtration et d’épuration avant d’être valoriser à travers le co-générateur.
L’épuration physique est composée de cyclone, du système de pulvérisation d’eau puis de filtre en tissu. Le système de pulvérisation d’eau, constitué d’un grand bassin d’eau, d’un tank de refroidissement et de deux pompes (l’une principale et l’autre secondaire) permet l’envoie de l’eau sous forme de fines gouttelettes avec une certaine pression dans le gaz au
devra être traitée et renouvelée périodiquement. Toutefois, ce système ne permet pas d’atteindre une bonne pureté du gaz exigé par les moteurs ce qui entraine des disfonctionnements répétés.
Selon le constructeur, le syngas produit devrait présenter les caractéristiques ci-après :
Pouvoir calorifique inferieur compris entre 4,5 et 5,0 MJ/Kg (Un mètre cube (1m3) de ce gaz produit peut libérer de l’énergie thermique de l’ordre de 4,5 à 5,0 MJ dans une chaudière) [18] ;
Composition moyenne en monoxyde de carbone CO : 20 ± 1% ; en méthane CH4: 3
±1% ; en dihydrogène H2 : 20 ±1% ; en dioxyde de carbone CO2 : 12 ±1% et Complément (N2 de l’air de gazéification) ;
Capacité à se substituer au diesel à l’ordre de 75 à 80% à des charges normales.
3.1.3 Le groupe électrogène à gaz :
L’application de la gazéification ici est la cogénération d'électricité et de chaleur grâce à un moteur à gaz. Ce moteur à gaz (MAG) Cummins India (présenté ci-dessous) aspire le mélange gazeux (syngas et air) pour assurer la combustion. L’énergie thermique dégagée de cette combustion communique un mouvement rotatif au système (énergie mécanique). Ce mouvement est couplé à une génératrice Stanford de 40 kVA comme puissance électrique apparente avec un Cos = 0.8 équivalent à 32kW en pointe. Le voltage est de 415 V AC triphasé avec une fréquence de 50 Hz.
Figure 3.5: Identification des différents éléments du générateur de l’OVN-Bio [3]
Concernant la récupération de la chaleur, le pot d’échappement de ce co-générateur est relié à des séchoirs pour permettre de sécher davantage la biomasse. En effet, entre le co-générateur et les deux séchoirs, est disposé un souffleur qui aspire la fumée chaude d’échappement et la fait circuler à l’intérieur des séchoirs. La biomasse calibrée à la bonne dimension, est séchée grâce à cette énergie thermique produite par cogénération avant d’être introduite dans le gazogène.
En résumé, le circuit complet de tous l’ensemble gazogène, système de lavage, co-générateur jusqu’aux séchoirs, se présente comme suit :
N° Composants 1 Détendeur 2 Mélange air/gaz 3 Echappement 4 Radiateur 5 Câble vers BRF 6 démarreur
- Le circuit en couleur grise est le circuit d’eau de lavage - Le circuit en noir est le circuit du gaz
- Le circuit bleu est le circuit d’eau froide de refroidissement - Le circuit en violet est pour la fumée chaude
Figure 3.6: Circuit complet de la plateforme de la gazéification (voir annotation)
Annotation :
n° Equipement n° Equipement
1 Réacteur 11 Chiller
2 Cyclone 12 Pompes chiller
3 Laveur à eau 1 13 Laveur à eau glacée
4 Séparation liquide gaz 14 Piège à eau 2
5 Laveur à eau 2 15 Ventilateur
6 Réservoir d'eau de lavage 16 Filtres à poche 7 Tour de refroidissement 17 Détendeur 8 Pompes tour refroidissement 18 Moteur
9 Pompes laveur à eau 19 Ventilateur gaz d'échappement
10 Piège à eau 1 20 Séchoir
3.1.4 Biomasse adaptée au gazogène et étude de disponibilité
La biomasse représente le carburant dans le procédé de gazéification. Tout comme on raffine le pétrole pour faire de l’essence, il nous faut également traiter la biomasse pour son utilisation dans le gazogène. Chaque gazogène de par sa géométrie, ne va pas avoir les mêmes besoins en biomasse. Pour une bonne utilisation du gazogène, il faut bien connaître ses besoins en biomasse. Cela permettra de minimiser sa maintenance et de maximiser ses performances énergétiques.
Comme mentionné plus haut, les ressources utilisées sont essentiellement du bois acacia, les coques de coco et de noix de palme selon la disponibilité (voir figure 3.7).
Figure 3.7: Biomasses adaptées à l'OVN BIO
Ces biomasses découpées et séchées doivent respecter la granulométrie et l’humidité requises. Pour OVN, elles doivent être comprises entre 2,5 cm x 1 x 1 cm et 3 cm x 3 cm x
coques de noix de coco coques de noix de palme
Bois d’acacia auriculiformis
3.1.4.1 Etude de disponibilité de la biomasse :
L’étude de la disponibilité de la ressource biomasse est l’un des paramètres les plus importants dans l’installation d’un système de gazéification. La politique mise en place pour s’assurer d’un approvisionnement durable et renouvelable, en continue est déterminant dans l’estimation du prix du kWh juste et compétitif par rapport à des sources alternatives d’électricité.
Les coques de noix de coco
Les noix de coco sont récupérées comme déchets provenant de l’usine de production de l’huile de coco et de la pâtisserie produisant des biscuits à base de coco (Songhaï).
les coques de noix de palme
Songhaï dispose d’une usine de production de l’huile rouge et de l’huile palmiste ce qui garantit la disponibilité des coques de noix de palme comme déchets.
Le bois
L’utilisation du bois comme source d’énergie ne peut être considérée comme renouvelable et participant pleinement au développement durable que si les rejets émis sont faibles, maîtrisés et n’implique pas la déforestation. À l’heure actuelle, toutes les installations satisfont aux normes de rejets en vigueur, mais il est maintenant nécessaire d’aller plus loin et d’atteindre des performances thermiques proches de celles obtenues avec les combustibles fossiles tout en respectant les normes environnementales [15].
Le centre Songhaï dispose donc d’une surface de 0,35 à 0,5 hectares pour les plantations de bois avec les essences mélangés d’Acacia auriculiformis et quelques pieds d’Eucalyptus.
Le rendement sur cette surface est égal à 3060 plants/0.35 ha en prenant une perte de 10%.
Les plants arrivent à maturité au bout de 12 à 18 mois dépendamment du diamètre désiré.
L’abattage des plants de la plantation se fait dans le même modèle de gestion que les plantations durables d’abord avec une première portion composée du tiers de la surface totale qui serait mis en séchage naturel. Il sera à chaque fois procédé à un reboisement de la partie abattue avant de migrer vers la portion suivante du champ. Le cycle de coupe, de stockage et de traitement pour les plants est de 3 mois.
Par ailleurs, la plateforme achète aussi le bois chez des producteurs locaux dont la
provenance n’est pas certifiée, et il est quantifié et facturé à raison de 40 000 FCFA à 45 000 FCFA le véhicule de convoyage bâché qui correspond environ à 1500 kg de bois
(soit 1 à 1,5 tonnes).
3.1.4.2 Le pouvoir calorifique du bois
Pour déterminer le pouvoir calorifique du bois, des échantillons de l’acacia auriculiformis ont été prélevés du centre Songhaï et transmis au laboratoire du LBEB au 2IE par Aristide DEJEAN (2013). Ce test a été réalisé avec une bombe calorimétrique et le pouvoir calorifique inferieur moyen déterminé est égal à 𝑃𝐶𝐼𝑚𝑜𝑦 = 17940 J/g avec un taux d’humidité égal à 4,3%.
1 J/g = 0.278 KWh/tonne
𝑃𝐶𝐼𝑚𝑜𝑦 = 17940 × 0,278
𝑃𝐶𝐼𝑚𝑜𝑦 = 𝟒𝟗𝟖𝟕, 𝟑𝟐 KWh/tonne
L’énergie thermique contenue dans une quantité M de bois est donc :
𝑬𝑩𝒊𝒐𝒎𝒂𝒔𝒔𝒆= 𝑴 × 𝑷𝑪𝑰 (𝟑. 𝟏)
Avec M : la masse en kg de bois convertis et PCI son pouvoir calorifique inferieur.
Avec M : la masse en kg de bois convertis et PCI son pouvoir calorifique inferieur.