Les réacteurs de pyro-gazéification

Bien que la pyrolyse / gazéification de la biomasse ait atteint un statut commercial, beaucoup d’aspects du procédé sont en grande partie empiriques et il y a besoin de plus d’études pour améliorer la fiabilité, la performance et la constance des produits. Cette section offre un panorama des réacteurs de pyro-gazéification les plus utilisés actuellement.

1.3.2.1 Lit fixe

Le gazéifieur à lit fixe a été le procédé traditionnel utilisé pour la gazéification, exploitée à des températures autour de 1000° C. Selon la direction du flux d’air, les gazogènes sont classés en co-courant et contre-co-courant.

Lit fixe contre-courant

Dans le gazéifieur à lit fixe contre-courant, le flux de biomasse solide est introduit par le haut et l’air en bas de l’appareil via une grille (figure 1.10). Immédiatement au-dessus de la grille le char solide formé est brûlé et la température atteint environ 1000° C. La cendre tombe à travers les grilles au fond et les gaz chauds passent vers le haut et sont réduites. Plus en haut, la biomasse est pyrolysée et dans la zone supérieure, l’alimentation est séchée, en refroidissant les gaz à environ 200 à 300° C. Dans la zone de pyrolyse, où les composés volatils sont libérés, des quantités considérables de goudron sont formées. Une partie des goudrons formés condense sur la biomasse froide et une partie sort avec les produits. La température dans la zone de gazéification est contrôlée par l’ajout

39 de vapeur à l’air utilisé pour la gazéification, ou par humidification de l’air. En raison de la basse température du gaz qui sort du réacteur, l’efficacité énergétique globale du processus est élevé, mais il y a aussi beaucoup de goudron contenu dans le gaz. L’effet de filtration par le lit permet de produire un gaz à faible teneur en particules.

Figure 1.10: Gazéifieur à lit fixe contre-courant (gauche) et un profil typique de température [49]

Lit fixe co-courant

Dans le gazéifieur à lit fixe co-courant, l’alimentation et l’air se déplacent dans le même sens (figure 1.11).

Les gaz produits quittent le réacteur en passant par la zone chaude, ce qui permet le craquage partiel des goudrons formés au cours de la gazéification et donnant des gaz à teneur faible en goudron. Les gaz sortant de l’unité à haute température (environ 900-1000°C), l’efficacité énergétique globale est faible, en raison du flux de chaleur élevée contenu dans les gaz chauds. La teneur en goudron de gaz produit est plus faible que pour un gazéifieur à lit fixe contre-courant, mais la teneur en particules des gaz est élevée.

En raison de sa faible teneur en goudrons dans le gaz, cette configuration est généralement préférée pour la production d’électricité à petite échelle avec un moteur à combustion interne.

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Figure 1.11: Gazéifieur à lit fixe co-courant (gauche) et un profil typique de température [49]

1.3.2.2 Lit fluidisé

Dans les technologies de pyrolyse en lit fluidisé et en lit fluidisé circulant, la chaleur est transférée à la biomasse par un solide caloporteur (sable) qui assure également la fluidisabilité du lit. La limitation de transfert de chaleur est située généralement au sein de la particule, exigeant donc des particules fines - en général pas plus de 3 mm - pour obtenir de bons rendements de liquides. De grandes quantités de gaz vecteur sont nécessaire pour fluidiser. Les réacteurs à lit fluidisé sont caractérisés par un bon transfert de chaleur et un bon mélange des matières premières, ce qui en fait l’outil de choix pour réaliser une pyrolyse avec un rendement maximum en bio-huiles.

Lit fluidisé circulant

Les lits fluidisés circulants (figure 1.12) sont capables de faire face à des débits de grande capacité et sont utilisés dans l’industrie papetière pour la gazéification de l’écorce et des autres forêts résidus. Le matériau du lit est distribué entre le réacteur et un séparateur à cyclone, où les cendres sont supprimées et le matériau du lit et le char retourné dans la cuve de réaction. Les gazéifieurs peuvent fonctionner à des pressions élevées, l’avantage étant pour ces applications finales où le gaz est nécessaire pour être comprimé par la suite, comme dans une turbine à gaz.

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Figure 1.12: Gazéifieur à lit fluidisé circulant

Lit fluidisé dense

Le lit fluidisé dense composé d’un récipient contenant une grille en bas à travers laquelle l’air est introduit (figure 1.13). Au-dessus de la grille, le lit fluidisé est composé de particules fines dans lequel est introduit la biomasse. La température de la chambre est régulée de 700 à 900°C en contrôlant le ratio air/biomasse. La biomasse est pyrolysée dans le lit chaud pour former un char avec des composés gazeux, les composés de haut poids moléculaire étant craqués par le contact avec le matériau du lit chaud, produisant ainsi un gaz à teneur en goudron inférieure à 10 g/Nm3.

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Figure 1.13: Gazéifieur à lit fluidisé dense

1.3.2.3 Four tournant

Le four rotatif est plus efficace que le réacteur à lit fixe pour le chauffage de la matière première. La rotation lente d’un four incliné permet un bon mélange de matière hétérogène. Les réacteurs de type four rotatif sont largement utilisés, mais ils sont typiquement utilisés pour la pyrolyse conventionnelle (pyrolyse lente), qui est caractérisé par une vitesse lente de chauffe avec des proportions importantes de biochar. Les vitesses de chauffe sont en général inférieures à 100° C/min et les temps de séjour du solide atteignent 1 h. Les technologies de pyrolyse de déchets urbains solides les plus fréquemment décrites sont basés sur des fours rotatifs [50], parce que le four rotatif a beaucoup d’avantages par rapport aux autres types de réacteurs. Outre le bon mélange, l’ajustement flexible du temps de séjour à travers l’ajustement de l’inclinaison et de la vitesse de rotation, permet l’alimentation de matériaux hétérogènes, et donc, un prétraitement important n’est pas nécessaire. Par ailleurs, son entretien est simple et sa fiabilité élevée. Les fours rotatifs de pyrolyse sont en général chauffés par l’extérieur à l’aide de gaz de pyrolyse brûlé (chauffage indirect). Le calcul du transfert de chaleur, du transfert de matière et de la conception du four ont été étudiés pour des matériaux homogènes ([21,51–54]).

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