CHAPITRE 1 : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
2.3 La valorisation par gazéification
2.3.1 Définition et principes
La gazéification est un procédé complexe qui regroupe plusieurs processus de transformation. D’après sa signification de base, le terme gazéification signifie transformer la biomasse en gaz. En ce sens, la combustion ou la pyrolyse sont des gazéifications plus ou moins complètes. Habituellement, on considère que la gazéification doit mener à la production maximale de gaz « combustibles ». Ainsi, le plus souvent, la gazéification consiste à produire des gaz à partir du résidu carboné issu de la pyrolyse (Figure 12).
Figure 12 : Les étapes de la gazéification (Antonini and Hazi 2004)
Les hydrocarbures et le carbone fixe sont convertis en gaz de synthèse dans la deuxième étape. Les réactions principales impliquées dans cette étape sont décrites ci-dessous (Antonini and Hazi 2004) :
1) Réaction de gazéification par la vapeur d’eau
𝐂 + 𝐇𝟐𝐎 → 𝐂𝐎 + 𝐇𝟐 Équation 17 Gaz Liquide s Résidu carboné Etape 1 : Pyrolyse 500 °C Etape 2 : Gazéification1000°C °C Gaz de synthèse
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2) Réaction de Boudouard
𝐂 + 𝐂𝐎𝟐→ 𝟐𝐂𝐎 Équation 18
3) Réaction de gazéification par l’Oxygène
𝐂 + 𝟏/𝟐𝐎𝟐→ 𝐂𝐎 Équation 19
4) Réaction de formation d’hydrocarbures
𝐧𝐂 +𝐦 𝟐𝐇𝟐→ 𝐂𝐧𝐇𝐦 exothermique 𝐧𝐂𝐎 + (𝐧 + 𝐦/𝟐)𝐇𝟐 → 𝐂𝐧𝐇𝐦+ 𝐧𝐇𝟐𝐎 exothermique Équation 20 5) Réaction Shift 𝐂𝐎 + 𝐇𝟐𝐎 → 𝐂𝐎𝟐+ 𝐇𝟐 Équation 21
6) Réaction de formation du méthane
𝐂 + 𝟐𝐇𝟐→ 𝐂𝐇𝟒 Équation 22
2.3.2 Les différentes technologies de gazéification
Différents types de réacteurs de gazéification ont été développés : four tournant, four à lit fixe, four à lit fluidisé, lit entraîné. La différence est basée sur les moyens supportant le combustible solide dans le réacteur, le sens de l'écoulement de la charge et de l'oxydant, et la source de la chaleur fournie au réacteur.
Deux grandes familles de technologies peuvent être distinguées :
Celles associées à des phénomènes lents caractérisées par des conditions de chauffage
modérées et par des temps de séjour du solide au sein du réacteur de plusieurs heures.
Celles associées à des phénomènes rapides caractérisées par des conditions de
chauffage sévères et par des temps de séjour du solide au sein du réacteur de l’ordre de quelques secondes.
2.3.2.1 Procédés de gazéification associés à des phénomènes lents (procédés à lits fixes)
2.3.2.1.1 Contre-courant (Updraft)
Dans les procédés à lit fixe à contre-courant, le combustible solide est généralement introduit par la partie supérieure alors que l’agent oxydant nécessaire à la gazéification est introduit par le bas (Figure 13). Le combustible solide, après avoir été séché, subit une pyrolyse qui produit des gaz riches en goudrons. Le résidu carboné issu de la pyrolyse traverse ensuite la zone de gazéification où l’eau et le dioxyde de carbone produits dans l’étage de combustion servent d’agent gazéifiant. Le charbon résiduel entre alors dans le dernier étage où il est complètement oxydé de façon à apporter l’énergie nécessaire aux réactions décrites précédemment.
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Figure 13: Schéma descriptif d’un lit fixe à contre-courant (ADEME 2001)
De par cette disposition, le gaz généré durant la gazéification est évacué du réacteur près de la zone de pyrolyse et présente de ce fait une teneur en goudrons importante.
Les procédés à contre-courant peuvent être utilisés pour des combustibles solides humides et sont relativement peu sensibles à la taille de la matière première.
Les principaux avantages des lits fixes à contre-courant sont leur simplicité de construction et leur efficacité thermique élevée : la chaleur sensible des gaz produits est en effet récupérée directement par la biomasse qui est alors séchée, préchauffée et pyrolysée avant d’entrer dans la zone de gazéification.
2.3.2.1.2 Co-courant (Downdraft)
Dans les procédés à co-courant, le solide et l’agent oxydant se déplacent dans le même sens, comme le montre la Figure 14, de sorte que le gaz produit durant la gazéification est évacué du réacteur près de la zone la plus chaude. Il en résulte une concentration en goudrons beaucoup plus faible que pour le procédé décrit précédemment. L’efficacité du procédé exprimée par la conversion du carbone issu du solide en carbone gazeux non condensable est plus élevée pour les procédés à co-courant.
De façon générale, les gazogènes co-courant doivent seulement être utilisés avec des combustibles relativement secs (typiquement 15 % d’humidité), à la granulométrie bien
précise (quelques cm3) et exempt de poussières.
Du fait de la teneur faible en goudrons, cette configuration est généralement plus favorable pour la production d’électricité de faible puissance avec un moteur thermique. Pour des raisons de fabrication et de fonctionnement, la limite maximale de puissance théorique pour
ces systèmes se situe à environ 500 kg.h-1 soit près de 500 kWe (Bridgwater 1995). Il est
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taille de particules / diamètre de la réduction du réacteur (cône) et qualité des échanges pour que n’apparaisse aucun point froid dans cette zone.
Figure 14 : Schéma descriptif d'un lit fixe co-courant (ADEME 2001)
2.3.2.1.3 Lits étagés
Cette technologie plus complexe nécessite deux réacteurs différents dans lesquels les réactions sont séparées. Le premier réacteur est un réacteur de pyrolyse. Les gaz issus de cette pyrolyse sont acheminés vers une chambre de combustion annexe. Les gaz chauds produits par cette combustion (1000°C à 1100°C) sont injectés dans le second réacteur où le charbon
issu du premier réacteur est gazéifié par la vapeur d’eau et le CO2 contenus dans ces gaz. Ces
réactions, très endothermiques, utilisent ainsi la chaleur sensible produite par la combustion des vapeurs de pyrolyse. Ce principe présente l’avantage de générer un gaz propre (vis-à-vis des goudrons) moyennant une bonne maîtrise du taux de matières volatiles des charbons et de la température de gazéification. L’inconvénient de ce type de réacteur concerne les problèmes d’écoulement des solides notamment au niveau de la zone de gazéification des charbons. En effet, le temps de séjour et les températures à atteindre pour obtenir une conversion complète du carbone sont incompatibles avec les biomasses cendreuses (fusion et agglomération des cendres). En revanche, ils constituent une excellente solution à la gazéification du bois et de ses dérivés.
2.3.2.2 Procédés de gazéification associés à des phénomènes rapides (procédés à lits fluidisés)
Les procédés à lits fluidisés nécessitent un broyage assez fin du combustible pour l’amener à une granulométrie comprise entre 2 et 5 mm. La fluidisation améliorant très sensiblement les échanges thermiques, le combustible introduit est rapidement chauffé jusqu’à la température du lit, permettant le dégagement des matières volatiles qui sont craquées et oxydées avant de
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quitter le gazéifieur. Le gaz contient donc généralement des hydrocarbures légers, mais également des composés organiques ou aromatiques plus lourds, en faible quantité. La température du lit doit impérativement rester inférieure au point de ramollissement des cendres pour éviter leur agglomération. La température de fonctionnement est donc de l’ordre de 850°C à 1000°C. Les cendres extraites du lit en continu ou périodiquement, contiennent un peu de carbone imbrûlé. Elles doivent donc subir une combustion pour pouvoir éventuellement être valorisées. Les cendres volantes sont majoritairement récupérées dans une batterie de cyclones, et peuvent être réintroduites dans le lit fluidisé pour améliorer le rendement global.
2.3.2.2.1 Lits fluidisés denses (LFD)
Les lits fluidisés denses se caractérisent par une vitesse de fluidisation relativement faible (1
m.s-1) qui permet la séparation nette des phases solide (lit) et gazeuse, sans entraînement des
particules inertes. Dans ces conditions, les particules sont simplement mises en mouvement et brassées au sein même du lit pour assurer de bons transferts thermiques et massiques.
Les réalisations de ce type souffrent cependant d’un certain nombre de contraintes d’exploitation inhérentes à ce mode de fluidisation : problèmes de maintien du niveau du lit lors des variations de charge, d’alimentation et de distribution de combustible, de flexibilité vis-à-vis des variations des caractéristiques du combustible, etc.… (voir détails en annexe 4) Ce type d’installation permet de produire un gaz dont la teneur en goudrons est comprise entre celles des gaz produits par les lits fixes co-courant et à contre-courant (Hos and Groeneveld 1987).
2.3.2.2.2 Lits fluidisés circulants (LFC)
C’est en partie pour répondre aux problèmes précédents que furent développés les lits fluidisés circulants. La vitesse de fluidisation est ici plus élevée (4 à 6 m.s-1). Il y alors expansion rapide du lit et entraînement de certaines particules dans le flux gazeux jusqu’à l’extérieur du réacteur. Par une séparation solide / gaz au moyen d’un cyclone, on fait recirculer les particules de solide dans le lit afin d’améliorer le taux de conversion de carbone qui peut atteindre 100 % (Bridgwater 1995). Ainsi, on obtient une masse solide continuellement en mouvement dans le réacteur. Une telle configuration montrée par la Figure 15 permet de limiter les problèmes liés aux variations de charges.
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Figure 15 : Schéma descriptif d'un lit fluidisé circulant (ADEME 2001)
2.3.2.2.3 Lits entraînés
Ils correspondent au cas extrême en termes de vitesse de fluidisation. La vitesse de particules
est voisine de celle des gaz et nettement supérieure à 6 m.s-1. On obtient alors un transport qui
peut être considéré comme pneumatique.
Bien que cette disposition permette de réduire de façon significative la perte de charge induite par la présence du lit, elle présente l’inconvénient majeur de réduire le temps de séjour nécessaire à la gazéification et de travailler à des vitesses élevées de gaz.
Le combustible est introduit sous forme pulvérulente avec des jets de comburants. Le combustible pulvérisé mis en présence d’oxygène développe une flamme très vive. Les débits d’oxygène et de vapeur sont ajustés pour obtenir une réduction du carbone par les gaz de combustion.
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La température peut atteindre 1700°C dans le cas d’un gazéifieur pressurisé comme dans le cas du procédé Noell présenté sur la Figure 16. Le niveau de température a plusieurs conséquences importantes : le gaz de synthèse ne comprend pas de composés condensables ou de goudrons car les matières volatiles du charbon sont libérées dans une zone où la température est élevée ce qui permet leur dégradation. Les rendements de conversion du carbone sont donc généralement supérieurs à 99 %. Les cendres sont éliminées sous forme liquide.