Métrologie : système de mesure et d’acquisition des données

Le pilote est équipé de capteurs et d’organes de régulation et de sécurité présentés exhaustivement en Annexe A. L’ensemble des valeurs mesurées peut être divisé en cinq groupes :

 Les paramètres de l’alimentation de biomasse ;

 Les débits de gaz, déjà présenté dans le paragraphe précédent ;  Le profil de température des unités ;

 Les pertes de charge différentielles le long des unités ;

 Le débit de solide circulant au sein du pilote ainsi que ses fluctuations.

En outre, ces valeurs sont transmises à deux enregistreurs Honeywell® Series X (fournisseur Sofraico®), disposant chacun de 40 voies d’enregistrement physiques. La fréquence d’acquisition, suivant le cas,

peut varier entre 1 et 100 Hz. Cette-dernière est essentiellement utilisée lors des essais hydrodynamiques.

2.3.1. Système de mesure du débit de biomasse

Afin de fixer le débit de biomasse à une valeur donnée, le protocole retenu consiste à :

 Fixer la fréquence de rotation du moteur de la vis d’extraction à sa valeur maximale afin de minimiser le temps de passage de la biomasse dans celle-ci. En effet, une portion de vis peut atteindre des températures supérieures à celle de décomposition thermique de la biomasse ;  Fixer manuellement la fréquence de vibration du moteur de l’extracteur vibrant ;

 Suivre l’évolution temporelle de la masse de biomasse présente dans la trémie, mesurée au moyen de quatre pesons placés sous la trémie, et en déduire le débit de biomasse.

2.3.2. Systèmes de mesure des températures

Tous les thermocouples sont de type K. Leur position dans le gazéifieur, le combusteur et le standpipe sont illustrées sur la Figure 2.14 :

 1 thermocouple de sécurité à la paroi de la vis d’alimentation de biomasse ;  4 thermocouples pour contrôle des préchauffeurs d’air;

 4 thermocouples de sécurité pour les préchauffeurs d’air secondaire, dont le rôle est de stopper l’alimentation électrique des préchauffeurs en cas de température dépassant le seuil de sécurité ;  7 thermocouples de mesure le long du gazéifieur ;

 9 thermocouples de mesure le long du combusteur ;  3 thermocouples de mesure le long du standpipe ;

 1 thermocouple de mesure et de régulation dans la chambre de post-combustion du gazéifieur ;  1 thermocouple de mesure et de régulation dans la chambre de post-combustion du combusteur ;  1 thermocouple de mesure dans la chambre de mélange des fumées ;

 1 thermocouple de mesure en sortie du condenseur multitubulaire ;  1 thermocouple de sécurité en entrée du système d’extraction des gaz.

Figure 2.14: Position des capteurs de température et de pression le long du gazéifieur, du combusteur et du standpipe.

2.3.3. Système de mesure des pressions

La pression est mesurée le long des unités par un réseau de capteurs de pression différentielle à la paroi (marque Honeywell®, fournisseur Sofraico®). La mesure de pression différentielle est particulièrement adaptée pour les lits fluidisés puisqu’elle permet de contrôler la qualité de fluidisation des particules dans les réacteurs. La pression différentielle indiquée en tout point correspond à la différence de pression entre ce point et l’atmosphère. Pour obtenir une mesure précise, les gammes de pression des appareils installés doivent tenir compte de leur position, étant donné que l’ordre de grandeur des pertes de charges diffère fortement entre les zones denses et diluées. En outre, les réacteurs étant légèrement en dépression du fait de la forte aspiration générée par le système d’extraction, décrit dans la suite, les capteurs doivent pouvoir mesurer des pertes de charges négatives comme positives, spécialement dans les zones très diluées (exemple : zone de désengagement, tête de réacteur). Les gammes de fonctionnement des capteurs de pression différentielle, ainsi que leur position, sont indiquées en Annexe A ainsi que sur la Figure 2.14.

 Gazéifieur :

o 1 capteur pour la perte de charge dans la boîte à vent ;

o 1 capteur pour la perte de charge totale (mesurée au-dessus du distributeur) ; o 6 capteurs pour la perte de charge le long du réacteur ;

o 1 capteur pour la perte de charge du cyclone ;  Combusteur :

o 1 capteur pour la perte de charge dans la boîte à vent ;

o 1 capteur pour la perte de charge totale (mesurée au-dessus du distributeur) ; o 5 capteurs pour la perte de charge le long du réacteur ;

o 1 capteur pour la perte de charge du cyclone ;  Standpipe :

o 5 capteurs le long du standpipe.

2.3.4. Système de mesure du débit de média circulant entre le gazéifieur et le combusteur

2.3.4.1.Présentation du système de mesure : SolidFlow 2.0

Dans le but de connaitre le débit instantané de solides circulant entre le gazéifieur et le combusteur, un système de mesure du débit de solide a été installé sur l’unité (fournisseur : SWR Engineering®, modèle : SolidFlow 2.0). Cet appareil permet de mesurer le débit réel et instantané de média dans les conduites métalliques dès lors que les particules se déplacent en transport pneumatique ou en chute libre. Il est placé dans la partie haute du standpipe, comme illustré sur la Figure 2.15.

Basé sur la technologie micro-ondes, il émet un signal haute fréquence à très faible puissance dans la conduite. Ce signal est réfléchi par la matière environnante avec une spécificité : les particules en mouvement retournent un signal décalé en fréquence du fait de leur déplacement (effet Doppler). Le capteur récupère ainsi l’ensemble des signaux réfléchis et effectue une analyse en fonction des amplitudes, fréquences et énergies. L’évaluation fine de ces paramètres permet de définir avec précision le débit réel.

Ce système de mesure du débit de solide présente les avantages suivants :  Pratique à mettre en place ;

 Peu coûteux en temps ;

 Non intrusif, c’est-à-dire que l’effet de la mesure sur le fonctionnement du procédé est négligeable.

Le capteur se compose d’une sonde micro-ondes à une extrémité, et d’une partie électronique à l’autre extrémité. Bien que la sonde micro-ondes accepte d’être soumise à des températures allant jusqu’à 1200 °C, la partie électronique ne supporte qu’une température maximale de 200 °C. Ainsi, une double enveloppe, dans laquelle circule de l’eau de refroidissement, a été construite par le personnel technique du LGC et installée autour de la sonde afin de la refroidir et d’éviter la chauffe de la partie électronique par diffusion.

2.3.4.2.Calibration du SolidFlow 2.0

La calibration de l’appareil a été réalisée au LGC, entre 20 et 850 °C, avec des particules d’olivine et de sable. Elle consiste à indiquer, pour différentes valeurs de signal mesurées par l’appareil, le débit de solide circulant correspondant.

Pour mesurer les débits de solide, une méthode dite « batch » a été utilisée. Cette méthode s’appuie sur le bon dimensionnement de la vanne en L située à la base du standpipe. Si cette vanne fonctionne correctement, un arrêt de l’aération (fluidisation) du standpipe engendre un arrêt du transfert des particules du standpipe vers le gazéifieur. La masse de solide dans le pilote restant constante pendant cette perturbation, son effet sur le pilote est répercuté au niveau du gazéifieur, où le niveau du lit dense ainsi que la pression totale diminuent immédiatement. Le calcul du débit de solide est alors effectué à partir de la variation de pression totale dans le gazéifieur, reliée à la variation de masse selon l’Equation 1, pendant le temps de l’arrêt de la fluidisation du standpipe (Equation 2).

∆𝑃 =∆𝑚 ⋅ 𝑔

𝐴𝑐 (1) 𝐹𝑝=

∆𝑚

∆𝑡 (2) où P (Pa) est la variation de la pression totale dans le gazéifieur pendant le temps t, m (kg) est la variation de la masse de lit dans le gazéifieur pendant le temps t, g est l’accélération de la pesanteur (m.s-2_{), Ac est la section du gazéifieur (m}2_{), Fp est le débit de solide circulant (kg.h}-1_{) et ∆t est l’intervalle}

de temps pendant lequel la mesure est réalisée (h).

Pour justifier cette méthode, plusieurs essais ont été réalisés afin de :

 Valider la relation reliant la pression totale au gazéifieur à la masse de solide (Equation 1). Pour cela, différentes masses d’olivine ont été introduites dans le gazéifieur. La pression totale correspondante à chaque inventaire a été enregistrée et comparée à la valeur théorique prédite par l’Equation 1 (Figure 2.16). Les résultats montrent la validité de l’Equation 1, avec un écart relatif entre les valeurs théoriques et expérimentales ne dépassant jamais 8 % ;

 Vérifier la constance du débit de circulation de média pendant les durées de perturbation retenues. Pour ce faire, la durée de la perturbation a été fixée à différentes valeurs entre 10 et 60 secondes, et les évolutions temporelles du débit de solide (signaux fournis par le SolidFlow 2.0) ont été enregistrées. Les résultats ont montré que, pour les conditions opératoires retenues et pour des durées de perturbation inférieures ou égales à 30 secondes, ce facteur n’a pratiquement pas d’effet sur la valeur moyenne des signaux délivrés par le SolidFlow 2.0. A partir des valeurs moyennes des signaux fournis par l’appareil et des débits de circulation de média mesurés, une courbe d’étalonnage est établie. Notons que la validité de cette courbe est vérifiée pour les différentes conditions opératoires testées : température de fonctionnement et vitesse d’air secondaire.

Figure 2.16: Validation expérimentale de l’Equation 1.

2.3.4.3.Validation de la calibration du SolidFlow 2.0

Afin de valider la courbe d’étalonnage enregistrée par le SolidFlow 2.0, de nouveaux essais sont réalisés à température ambiante en comparant le débit de solide mesuré par méthode batch avec le débit mesuré directement par SolidFlow 2.0. Pour ces essais, les particules solides utilisées sont des particules d’olivine. La Figure 2.17 montre que les deux techniques conduisent aux mêmes résultats (écart < 10 %).