Chapitre 1 : Théorie de la gazéification et revue Bibliographique
2.7. Etude comparative des résultats numériques et expérimentaux des fractions molaires des
Des simulations sur les déchets de bois à des températures respectives de 5000C, 7000C et 9000C pour des temps de séjour respectifs de 0,4s, 1.1s et 2s. Ces différentes simulations ont été effectuées afin de constater l’écart entre les valeurs numériques et celles expérimentales obtenues, concernant les gaz combustibles. A cet effet, les tableaux ci-après ont été élaborés :
Constantes Valeurs
Réalisé par ADAMON David Farid G. 54 Tableau 2.7: Etude comparative des valeurs numériques et expérimentales des fractions molaires des gaz de pyrolyse des déchets de bois avec craquage thermique des goudrons pour T=5000C et ts=0,4s
H2 7.599999999997408e+000 7.6 7.6
CH4 1.280000000000030e+001 12.8 12.8
CO2 3.659999999999673e+001 36.6 36.6
Tableau 2.8: Etude comparative des valeurs numériques et expérimentales des fractions molaires des gaz de pyrolyse des déchets de bois avec craquage thermique des goudrons pour T=7000C et ts=1.1s
CO 4.499999983836005e+001 45 45
H2 1.669999199999415e+001 16.7 16.7
CH4 1.639999999200097e+001 16.4 16.4
CO2 1.610000002399374e+001 16.1 16.1
Réalisé par ADAMON David Farid G. 55 Tableau 2.9: Etude comparative des valeurs numériques et expérimentales des fractions molaires des gaz de pyrolyse des déchets de bois avec craquage thermique des goudrons pour T=9000C et ts=2s
CO 5.499998609718659e+001 55 55
H2 3.199999999634179e+001 32 32
CH4 9.499999999994429e+000 9.5 9.5
CO2 3.499999999979082e+000 3.5 3.5
A la lecture des tableaux ci-dessus, on s’aperçoit bien que, quelque soit le modèle de pyrolyse, les valeurs numériques obtenues sont en concordance avec les données expérimentales. Cela témoigne de la précision de la méthode utilisée, outre son importance dans la recherche des fractions molaires des gaz combustibles de pyrolyse, quelle que soit la température de pyrolyse considérée.
En somme, il s’agissait dans ce chapitre de disposer d’un outil numérique pour l’estimation d’une part du taux de production du goudron de pyrolyse et d’autre part des fractions molaires des gaz combustibles en fonction de la température et du temps de séjour et, d’évaluer les écarts entre les valeurs expérimentales et numériques.
A partir du modèle séquentiel et partant de la modélisation des résultats quantitatifs des produits de pyrolyse et, celle de la cinétique de craquage du goudron, une simulation numérique du processus de gazéification s’impose pour prévoir la composition molaire des gaz.
Réalisé par ADAMON David Farid G. 56 CHAPITRE 3 : IMPLANTATION DU MODELE DANS UN PROGRAMME
DE PREVISION DE LA COMPOSITION MOLAIRE DES GAZ DE GAZEIFICATION ET EVALUATION DU PROGRAMME
L’amélioration qualitative et quantitative des gaz de gazéification nécessite d’une part la conversion des goudrons, et d’autre part du modèle de gazéification. Dans ce chapitre, le modèle de prévision de la composition molaire des gaz de gazéification utilisé est le modèle séquentiel qui tient compte des différentes étapes du processus de gazéification. Ainsi, nous allons nous servir de la modélisation de la cinétique de craquage des goudrons développée plus haut pour obtenir une méthode de prévision de la composition du gaz, basée sur les résultats expérimentaux des étapes d'un processus de gazéification.
3.1. Modélisation analytique des réactions de pyrolyse : Application à la prévision molaire des gaz selon le modèle séquentiel : cas des déchets de bois.
La prévision molaire des gaz de gazéification selon le modèle séquentiel nous amène, à chaque étape du processus de gazéification, à faire le bilan sur l’évolution des produits de pyrolyse. A cet effet, lors de nos recherches antérieures, nous avons effectué à la sortie des gaz de gazéification le bilan ci-après :
Réaction de combustion
𝑛𝐶𝑂1 2 = 𝑛𝐶𝑂2+ 𝑞 𝑒𝑡 𝑛𝐶𝑎𝑟1 = 𝑛𝐶𝑎𝑟 − 𝑞 (𝟑. 𝟏) Avec :
𝑛𝐶𝑂2: 𝑛𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑜𝑥𝑦𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑒 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑢 𝑒𝑛 𝑓𝑖𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑦𝑟𝑜𝑙𝑦𝑠𝑒 𝑛𝐶𝑎𝑟 ∶ 𝑛𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑢 𝑒𝑛 𝑓𝑖𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑦𝑟𝑜𝑙𝑦𝑠𝑒
𝑛𝐶𝑎𝑟1 ∶ 𝑛𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑢 à 𝑙𝑎 𝑓𝑖𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟é𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛
𝑛𝐶𝑂2 1 : 𝑛𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑜𝑥𝑦𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑒 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑢 à 𝑙𝑎 𝑓𝑖𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟é𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑞: 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑡é 𝑑′𝑜𝑥𝑦𝑔è𝑛𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑐𝑖𝑝𝑎𝑛𝑡 à 𝑙𝑎 𝑟é𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛
Réalisé par ADAMON David Farid G. 57
Réactions de réduction
Pour la réaction de BOUDOUARD
𝑅1 =1.64 × 102 × 𝑒𝑥𝑝 −27.2×101.987×𝑇3 × 𝑃𝐶𝑂2
Réalisé par ADAMON David Farid G. 58 En effet c’est la réaction de gaz à l’eau qui met fin au processus de gazéification. Toutefois, la composition en fraction molaire du gaz produit est :
𝑛𝑖𝑓 = 𝑛𝑖 × 100
𝑛𝑖𝑑𝑢 𝑚𝑒𝑙𝑎𝑛𝑔𝑒 𝑔𝑎𝑧𝑒𝑢𝑧 (𝟑. 𝟔) 𝑛𝑖𝑓: 𝑓𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑑𝑢 𝑔𝑎𝑧 𝑖 à 𝑙𝑎 𝑓𝑖𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑔𝑎𝑧é𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 (𝐶𝑂2, 𝐻2, 𝐶𝐻4,𝐶𝑂. )
𝑛𝑖: 𝑛𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑢 𝑔𝑎𝑧 𝑖 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑢 𝑎𝑝𝑟è𝑠 𝑙′é𝑞𝑢𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑔𝑎𝑧 à 𝑙′𝑒𝑎𝑢 Des expériences effectuées par Dr.Ir. FAGBEMI découlent les observations suivantes : - à une température T supérieure à 800°C, la vitesse relative de la réaction de BOUDOUARD est 1,5 fois plus élevée que celle de la réaction de gaz à l’eau pour une même concentration de gaz réactifs dans le milieu;
- à une température inférieure à 800°C, le rapport entre les deux vitesses peut aller jusqu'à 3 selon FAGBEMI et al. (2001). En se basant sur les observations ci-dessus, nous avons établi les conditions suivantes :
𝛼 = 8 pour T < 800°c 𝛼 = 3 pour T > 800°c
𝛼: 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑑𝑒𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛.
Les pressions partielles de H2O et CO2 sont calculées à partir de la composition molaire des gaz obtenus y compris celle de la vapeur d’eau sous forme gazeuse obtenue jusqu'à la fin de la combustion.
𝑃𝐻2𝑜 = 𝑛𝐻2𝑜
𝑛𝑡 𝑒𝑡𝑃𝐶𝑂2 = 𝑛𝐶𝑂2
𝑛𝑡 (𝟑. 𝟖) 𝑛𝑡 = 𝑛𝐶𝑂2+ 𝑛𝐶𝑂 + 𝑛𝐶𝐻4 + 𝑛𝐻2 + 𝑛𝐻2𝑂 (𝟑. 𝟗)
Réalisé par ADAMON David Farid G. 59 Par contre, dans le cas de l'oxyvapogazéification, le débit molaire de vapeur introduit peut être pris en compte dans le calcul de la pression partielle.
3.2. Prévision de la composition molaire des gaz de gazéification
La composition molaire des gaz et celle de vapeur d’eau en sortie du gazogène proviennent de la somme des compositions molaires de chaque espèce gazeuse dans chaque zone.
Rappelons que le présent travail ne tient pas compte de la composition molaire des gaz issus du craquage thermique des goudrons, mais plutôt de sa quantité et de son pouvoir calorifique sur le gaz final (gaz de synthèse).Ainsi, à la fin du processus de gazéification nous obtenons les résultats suivants:
𝑛𝐶𝑂𝑓 : nombre de moles de monoxyde carbone obtenu en fin de gazéification ; 𝑛𝐻𝑓2: nombre de moles d′hydrogène obtenu en fin de gazéification;
𝑛𝐶𝑂𝑓 2: nombre de moles de dioxyde de carbone obtenu en fin de gazéification;
𝑛𝐻𝑓2𝑂: nombre de moles de vapeur d′eau obtenue en fin de gazéification ; 𝑛𝐶𝐻𝑓 4: nombre de moles de méthane obtenu en fin de gazéification;
𝑃𝑔𝑜𝑢𝑟𝑒𝑠𝑖𝑓 : 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑑𝑒 𝑔𝑜𝑢𝑑𝑟𝑜𝑛 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑖𝑡.
𝑛𝐶𝑂, 𝑛𝐻2,𝑛𝐶𝑂2,𝑛𝐻2𝑂, 𝑛𝐶𝐻4représentent respectivement les quantités de monoxyde de carbone, d’hydrogène, de dioxyde de carbone, de la vapeur d’eau et de méthane en fin de pyrolyse.
Réalisé par ADAMON David Farid G. 60 Outre la composition molaire ou massique des produits de gazéification, nous disposons également du pouvoir calorifique inferieur du gaz, puis du rendement compte tenu des paramètres en entrée sans oublier l’énergie thermique contenue dans un kilogramme de déchets de bois.
3.3.Simulation
L’application du modèle numérique séquentiel avec craquage thermique des goudrons au lit fluidisé du CREUSOT, nous a permis d’évaluer la composition molaire des gaz en fonction de la température de réaction, de la quantité d’oxygène sollicitée, du temps de séjour, du taux d’humidité puis la quantité de matière lignocellulosique utilisée.
Nous avons utilisé les déchets de bois humide dont les caractéristiques sont : - masse : 127500 g;
- humidité : 27.5% ;
- quantité d’oxygène : 1155.46875mol ; - température de réaction : 8500C ; - temps de séjour : 0s.
Les résultats de la simulation sont consignés dans le tableau 3.1:
Tableau 3.1: Composition molaire des gaz de gazéification.
Fractions molaires
CO 4.536959765103187e+001 45.4 35.5
H2 1.758469831456227e+001 17.6 18.7
CH4 7.519553223232015e+000 7.5 10
CO2
Réalisé par ADAMON David Farid G. 61 Les écarts observés peuvent s'expliquer non seulement par la différence de la composition élémentaire des essences de déchets de bois utilisées, mais aussi par la taille des échantillons et surtout du mode opérationnel. Par ailleurs, la présence de l’azote dénote d’une gazéification à l’air.
3.4. Influence du temps de séjour de la biomasse sur la composition molaire du gaz de gazéification et la quantité de gaz.
Nous étudierons l’impact du temps de séjour sur la prévision de la composition molaire des gaz de gazéification et la quantité de gaz obtenu. A cet effet, nous avons gazéifié une mole de déchets de bois (145g) ayant un taux d’humidité de 10% avec une mole de dioxygène en entrée pour des températures respectives de 600oC et 800oC. Ensuite, à chaque température le mélange subit une variation du temps de séjour dans l’ordre respectif de 0.35s, 1.4s et 3.8s pour T= 600oC et dans l’ordre respectif de 0.3s, 1.1s et 3.1s pour T=800oC. A l’issue de cette série d’opération, nous obtenons les tableaux 3.2 d’une part, et 3.3 d’autre part en annexe 4.
L’évolution de cette composition molaire du gaz et de la quantité de gaz en fonction du temps de séjour sont illustrées sur les graphes ci-dessous :
Figure 3.1 : Evolution des fractions molaires des gaz de gazéification en fonction du temps de séjour à T=600oC
Réalisé par ADAMON David Farid G. 62 Figure 3.2 : Evolution de quantité de gaz de gazéification produit en fonction du temps de
séjour à T=600oC
Figure 3.3 : Evolution des fractions molaires des gaz de gazéification en fonction du temps de séjour à T=800oC
Réalisé par ADAMON David Farid G. 63 A la lecture de ces graphes, on s’aperçoit que la quantité de gaz produit en fin de gazéification croit sensiblement en fonction du temps de séjour quelle que soit la température de réaction.
Par contre, tel n’est pas le cas des fractions molaires. Lorsque la fraction molaire en monoxyde de carbone et celle en méthane semblent connaitre respectivement une diminution et une croissance lente aux faibles températures, contrairement aux hautes températures, les fractions molaires de dihydrogène et celles de dioxyde de carbone connaissent respectivement une croissance lente et une diminution non moins négligeable quelle que soit la température de réaction. Ces observations faites concordent bien avec les résultats de Hellgren et al. [20] qui observent une croissance de la quantité de gaz produit en fonction de l’augmentation de la température et du temps de séjour. Houben et al. [22] observent une diminution du dioxyde de carbone pendant que Morf et al. [36] observent une augmentation sensible de la fraction de dihydrogène et une production majoritaire de monoxyde de carbone aux fortes températures.
3.5. Influence de la température sur le Pouvoir Calorifique Inferieur (PCI) du gaz de gazéification
L’objectif de cette étude est de mesurer l’impact de la température sur le pouvoir calorifique inferieur du gaz de gazéification pour des temps de séjour donnés. Ainsi, nous avons gazéifié une mole de déchets de bois (145g) ayant un taux d’humidité de 10% avec une mole de dioxygène en entrée pour des temps de séjour respectifs de 0.3s, 1.1s, 3.1s et 4s. Ensuite, pour chaque temps de séjour le mélange subit une variation de température dans l’ordre respectif de 500oC, 600oC, 700oC, 800oC et 900oC. A l’issue de cette série d’opération, nous obtenons les tableaux allant de 3.4 à 3.7 en annexe 3. L’évolution du PCI du gaz en fonction de la température est illustrée sur les graphes ci-après:
Réalisé par ADAMON David Farid G. 64 Figure 3.5 : Evolution du PCI en fonction de la température à ts=0.3s
Figure 3.6: Evolution du PCI en fonction de la température à ts=1.1s
Figure 3.7 : Evolution du PCI en fonction de la température à ts=3.1s
9.5
Réalisé par ADAMON David Farid G. 65 Figure 3.8 : Evolution du PCI en fonction de la température à ts=4
A travers les graphes obtenus, nous remarquons une croissance sensible du pouvoir calorifique du gaz de gazéification en fonction de la température pour des temps de séjour inferieurs à 2s. Au delà de cette valeur et aux environs de T=800oC, le PCI du gaz décroît. Le fléchissement du PCI s’explique par la baisse sensible des fractions molaires des gaz de haut pouvoir calorifique tels que le méthane et le dihydrogène. Ces observations faites sont parfaitement en accord avec les mesures expérimentales de Fagbemi et al. [16]. Ce chercheur a effectué une étude sur l’évolution du PCI du gaz à l’aide d’une bombe calorimétrique en fonction de la température et parvient au temps de séjour limite de 2s qui est d’ailleurs celui généralement recommandé dans les gazogènes.
3.6. Evolution du pouvoir calorifique inférieur des gaz par unité de masse du bois en fonction du temps de séjour et de la température
Comme nous l’avions vu plus haut, le craquage thermique des goudrons améliore la qualité et la quantité du gaz. Par conséquent, il améliore le pouvoir calorifique inférieur du gaz. Il s’agit donc pour nous d’effectuer un tableau comparatif entre le pouvoir calorifique inférieur du gaz avec et sans craquage. A cet effet, une étude a été faite sur les déchets de bois afin de mettre en exergue l’importance du craquage thermique dans l’amélioration du gaz de synthèse.
0 5 10 15
500 600 700 800 900
PCI en MJ/Nm3
Température en degré Celsius
PCI
Réalisé par ADAMON David Farid G. 66 Alors, nous avons gazéifié une mole de déchets de bois (145g) ayant un taux d’humidité de 10% avec une mole de dioxygène en entrée pour des températures respectives de 600oC et 800oC.
Ensuite, pour chaque température, le mélange subit une variation de temps de séjour dans l’ordre respectif de 0, 0.3, 1.1, 2, 2.1, 2.3, 3 et 3.1s. A l’issue de cette série d’opération, nous avons obtenu les tableaux 3.8 et 3.9 en annexe 3. L’évolution du PCI du gaz en fonction de la température est illustrée sur les graphes ci-dessous :
Figure 3.9 : Evolution du Pouvoir Calorifique Inférieur des gaz de gazéification en fonction du temps de séjour à T=600oC
Figure 3.10 : Evolution du Pouvoir Calorifique Inférieur des gaz de gazéification en fonction du temps de séjour à T=800oC
Réalisé par ADAMON David Farid G. 67 Les graphes obtenus témoignent bien de l’amélioration du PCI du gaz en fonction du temps de séjour. Toutefois, le pouvoir calorifique demeure une fonction croissante en fonction de la température. Même si le PCI du gaz augmente en fonction de la température pour un temps de séjour nul, il s’améliore davantage avec un temps de séjour non nul, sans oublier la quantité importante de gaz produit, d’où l’influence conjuguée aussi bien de la température que du temps de séjour sur le PCI du gaz de synthèse.
En somme, ce chapitre nous a permis de disposer d’un programme basé sur le modèle séquentiel prenant en compte le craquage thermique des goudrons outre les réactions de BOUDOUARD et de gaz à l’eau suivant leurs cinétiques respectives. Les différentes simulations nous ont permis d’étudier l’impact du temps de séjour sur le pouvoir calorifique du gaz de gazéification. Il en ressort de toute évidence que le temps de séjour participe à l’amélioration du PCI du gaz sans oublier la température qui demeure un facteur important dans l’augmentation du PCI du gaz. Il importe de remarquer que l’obtention d’un PCI meilleur nécessite un temps de séjour inférieur à 2s aux faibles températures.
Réalisé par ADAMON David Farid G. 68 CONCLUSION GENERALE
Dans le présent document, il a été effectué une modélisation des réactions de craquage thermique des goudrons de pyrolyse des déchets de bois. Cette modélisation a permis la résolution numérique du processus de gazéification de ces déchets à partir de la méthode séquentielle. Nous avons pu déterminer numériquement la composition molaire et massique des produits de pyrolyse et celle des produits de gazéification obtenus. Les effets des paramètres essentiels sur la composition molaire du gaz, la quantité de gaz et surtout le PCI ont été aussi étudiés. Il résulte de l’étude que le temps de séjour de la biomasse permet le craquage thermique des goudrons à une température donnée d’une part et, d’avoir un volume de gaz important propre dont le PCI est élevé d’autre part.
Dans les travaux ultérieurs, nous envisageons étendre à partir d’une nouvelle expérience l’étude numérique aux principaux déchets agricoles tels les coques de riz, les coques de noix de cajou dont dispose le Bénin, pour apprécier réellement l’importance de ce dispositif numérique dans la valorisation thermochimique à travers la gazéification. Nous espérons que les résultats de cette étude contribueront efficacement à la résolution de la crise énergétique dans notre pays.
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