Chapitre 3: Implantation du modèle dans un programme de prévision de la composition
3.5. Influence de la température sur le Pouvoir Calorifique inferieur PCI du gaz de
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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Réalisé par ADAMON David Farid G. 74
Annexe 1 : Lexique
Réalisé par ADAMON David Farid G. 75 Annexe 1 : Lexique
Asphaltènes:
Dans l'industrie pétrolière, ils sont habituellement définis comme la fraction de pétrole brut, qui est soluble dans le toluène et insoluble dans le n-pentane ou n-heptane à un rapport de dilution de 40 volumes de solvant par volume d'échantillon de pétrole.
Leurs propriétés chimiques sont encore peu connues, de par leur nature complexe. Il y a un rapport étroit entre les Asphaltènes, les résines, et les hydrocarbures polycycliques de masse molaire élevée. Ils présentent ainsi des affinités avec les composés aromatiques, dans lesquels ils forment des solutions colloïdales. A l'inverse, ils ne présentent aucune affinité avec les paraffines, comme le pentane. Ils diffèrent cependant des hydrocarbures aromatiques polycycliques par la présence d'oxygène, d'azote et de soufre à des degrés divers. Soumis à un chauffage au-dessus de 300-400°C, les Asphaltènes ne fondent pas, mais se décomposent, formant du carbone et des produits volatils. Ils sont ainsi un précurseur du coke lors de la pyrolyse. Leur masse molaire varie approximativement de 1 000 à 1 000 000 kg. kmol
-1
. La couleur des Asphaltènes dissous est rouge foncé, ce qui donne un teint jaunâtre à la solution même à très faible concentration.
Ils posent de sérieux problèmes à l'industrie pétrolifère en raison de leur capacité à se déposer dans les conduits et sur l'équipement de forage. Leur destruction est un processus long et cher.
Asphaltiques:
Famille chimique regroupant les Asphaltènes et les résines. Dans ce mémoire, ce terme est utilisé par simplification pour désigner le solide carboné produit lors de la pyrolyse de biomasse. Il correspond au mot anglais « char » et est synonyme de semi-coke ou charbon de bois.
Composé aromatique :
Composé qui contient au moins un cycle d'atomes de carbone du genre de celui du benzène ou similaire. Si le cycle contient un atome autre que du carbone, on parle d'hétérocycle. Coke : produit obtenu par distillation de la houille dans un four à l'abri de l'air. Au cours de la cuisson, qui peut durer entre 16 et 40 heures en fonction de la qualité recherchée, le mélange de houilles enfourné est transformé en coke par élimination des matières volatiles, puis par transformation physique.
Réalisé par ADAMON David Farid G. 76 Figure 2.4:Structure du benzène
Goudrons :
Mélange complexe de produits organiques, produit pendant les processus thermochimiques de conversion de la biomasse. Par conséquent, le terme « goudrons » regroupe des milliers de substances simples. Le goudron primaire est un goudron qui n'a subi aucune réaction secondaire. On entend par "secondaires" les réactions se déroulant hors de la particule où se sont déroulées les réactions de production dites "primaires". Les définitions exactes varient selon les auteurs et les méthodes de mesure. Certains composés aromatiques tels le benzène, le toluène et le xylène ne sont généralement pas considérés comme des goudrons.
Goudrons lourds :
Considérés généralement comme la somme de composés organiques de masse molaire élevée dont la température d’ébullition est haute, typiquement au-dessus de 2000C. Leur composition chimique n’est pas connue. Les goudrons lourds sont déterminés par gravimétrie comme le résidu de l’évaporation des goudrons à la température d’ébullition des solvants employés (Hasler, 2000).
Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) :
Famille de composés chimiques constitués d’atomes de carbone et d’hydrogène dont la structure des molécules comprend au moins deux cycles aromatiques condensés.
Quelques HAP :
(1) Phénanthrène; (2) Anthracène; (3) Pyrène; (4) Benz[a]anthracène; (5) Chrysène; (6) Naphtalène; (7) Benzo[c]phénanthrène; (8) Benzo[ghi]fluoranthène; (9) Dibenzo[c,g]phénanthrène; (10) Benzo[ghi]pérylène; (11) Triphénylène; (12) o-téphényl; (13) m-téphényl; (14) p-téphényl ; (15) Benzo(a)pyrène; (16) Tétrabenzonaphthalène (TBN); (17) Phénanthro[3,4-c]phénanthrène(PhPh); (18) Coronène
Depuis de nombreuses années, les HAP sont très étudiés car ce sont des composés présents dans tous les milieux environnementaux et qui montrent une forte toxicité. Ils font partie des polluants organiques persistants (POPs).
Réalisé par ADAMON David Farid G. 77 D’ailleurs, c’est une des raisons qui a conduit à leur ajout dans la liste des polluants prioritaires par l’agence de protection de l'environnement des États-Unis (EPA US Environmental Protection Agency), dès 1976. Aujourd’hui, ils font également partie des listes de l’OMS (Organisation Mondiale de la Santé) et de la communauté européenne.
Hydrocarbure :
Composé organique contenant exclusivement des atomes de carbone (C) et d'hydrogène (H).
Ils possèdent en conséquence une formule brute de type: C
nH
m, où n et m sont deux entiers naturels.
Phénols :
En chimie organique, composés chimiques aromatiques portant une fonction alcool -OH. Les dérivés portant plusieurs fonctions -OH sont appelés des polyphénols. Exemples de composés phénolés :
• le phénol, le composé de base du groupe, utilisé comme désinfectant et pour la synthèse chimique ;
• l'acide salicylique, un médicament analgésique, antipyrétique et anti-inflammatoire, précurseur de l'aspirine ;
• les cannabinoïdes, constituants actifs du cannabis ;
• la psilocybine, un alcaloïde hallucinogène des champignons Psilocybe ;
• la capsaïcine, le composé corrosif du piment du Chili ;
• la tyrosine, un acide aminé ;
• les neurotransmetteurs : sérotonine, dopamine, adrénaline et noradrénaline ;
• le L-DOPA : un médicament qui traite la maladie de Parkinson ;
• l'estradiol et les autres estrogènes ;
• le gaïacol (2-méthoxyphénol) du café torréfié, du whisky et de la fumée qui a une saveur de fumée et qui, industriellement, est l'intermédiaire de synthèse de la vanilline ;
• les polyphénols comme les flavonoïdes et les tannins ;
• l'acide picrique, un explosif.
Polymère :
Substance en général organique (parfois au moins en partie inorganique) liquide ou solide à température ambiante qui est constituée de macromolécules ayant la même nature chimique.
Ces réactions de polymérisation conduisent à la formation de macromolécules, ayant une structure tridimensionnelle, par établissement de liaisons covalentes entre de petites molécules elles-mêmes appelées monomères.
Réalisé par ADAMON David Farid G. 78