3 CHAPITRE : DESCRISTION TECHNIQUE ET DIAGNOSTIC DU GAZOGENE OVN-
3.1 Présentation du gazogène et Biomasse adaptée
Le fonctionnement du système de gazéification au centre Songhaï est exposé à la figure 3.1 ci-dessous. Les déchets agricoles obtenus après transformation et consommation des produits agricoles sont prétraités et injectés dans le gazogène. Cette machine convertit ces déchets en électricité et chaleur grâce à un co-générateur qui lui est accouplé. Les sous-produits (cendre, charbon, goudrons …) sont utilisés comme fertilisant agricole d’où l’intégration de système.
Figure 3.1 : Circuit intégré de valorisation de déchet agricole par la gazéification
1 2
3
7
4 6 5
Le gazogène OVN Bio, modèle indien, dispose d’un réacteur pour la production du gaz de synthèse, d’un système d’épuration physique puis d’un générateur produisant de l’énergie électrique et de la chaleur à partir du gaz. L’agent gazéifiant utilisé par ce gazogène est de l’air. C’est un gazogène co-courant c’est-à-dire que la biomasse et le gaz suivent le même sens au sein du réacteur. Le souffleur à gaz aspire l’air à travers les trois buses d’airs situés sur les côtés du réacteur favorisant la combustion. Ce gazogène est adapté pour les conversions thermochimiques de biomasse solide de types bois énergie (Acacia auriculiformis ou Eucalyptus Senegalensis), coques de noix de coco et de noix de palme.
Le circuit du gazogène en 2D (dans le plan) se présente comme suit :
Figure 3.2: Schéma du processus de gazéification (gazogène OVN-Bio) [18]
Cette figure indique qu’après le déroulement des quatre étapes de la gazéification au sein du réacteur, le mélange gazeux brut produit, passe à travers le cyclone pour y être séparé partiellement des cendres, poussières et goudrons qu’il renferme. En effet, la densité des particules étant supérieure à celle du gaz, elles sont forcées de s’approcher de la paroi du
cyclone où, une fois déposées, elles sont transportées vers le bas pour être récupérées. Le gaz maintenant libéré d’une partie de sa charge de poussière, remonte par le centre du cyclone.
Ce gaz chaud est ensuite nettoyé et refroidi deux fois successivement par les coolers 1 et 2 du scrubber (système de pulvérisation d’eau). Les pièges à eau 1 et 2 disposés avant et après le chill cooler, servent de déshumidificateurs du gaz. Le chill cooler appelé « chiller » (une unité de refroidissement) diminue considérablement la température du gaz. Le flare ou torchère est un indicateur de la présence du gaz ainsi que de sa qualité (couleur orange signifie de qualité). Cette torchère est allumée une dizaine de minutes après le démarrage du gazogène. Une fois la qualité du gaz est bonne, le co-générateur peut être démarré.
Le souffleur de gaz assure une bonne circulation du syngas et la régulation de son débit au niveau du co-générateur. Deux unités de filtres disposés en parallèle pour filtrer une dernière fois le gaz avant son injection dans le moteur. Pour mieux comprendre la figure précédente, cette figure 3.3 donne une vue partielle mais plus claire du gazogène.
Figure 3.3: Identification des différents éléments composant l’OVN-Bio [3]
3.1.1 Le réacteur :
Le réacteur du gazogène est en forme d'enveloppe cylindrique composé de trois couches.
carreaux de céramique composé en grande partie composé d'alumine. En effet, l’alumine ou oxyde d’aluminium (Al2O3) possède une température de fusion très élevée (2054 °C) et résiste efficacement à la chaleur.
Le chargement de la biomasse se fait par le couvercle supérieur. Les sous-produits sont évacués par le réservoir de bio char voir figure 3.4. La couverture supérieure est maintenue ouverte durant le fonctionnement du système pour permettre l’entrée d’air nécessaire pour la combustion, en plus des trois buses d’air ; et pour faciliter l’ajout de la biomasse au cours de la production. Ce qui nous permet d’avoir une pression au sein du réacteur égale à la pression atmosphérique (105 Pa) et une température de combustion sensiblement égale à 800°C. La vis sans fin, entrainé par un moteur permet de décharger ou de vider le réacteur.
Figure 3.4 : Réacteur de l’OVN-Bio
3.1.2 Le système d’épuration physique
Le gaz chargé d’élément gênant (poussière, goudrons, alcalins, cendres etc.), doit subir tout un processus de filtration et d’épuration avant d’être valoriser à travers le co-générateur.
L’épuration physique est composée de cyclone, du système de pulvérisation d’eau puis de filtre en tissu. Le système de pulvérisation d’eau, constitué d’un grand bassin d’eau, d’un tank de refroidissement et de deux pompes (l’une principale et l’autre secondaire) permet l’envoie de l’eau sous forme de fines gouttelettes avec une certaine pression dans le gaz au
devra être traitée et renouvelée périodiquement. Toutefois, ce système ne permet pas d’atteindre une bonne pureté du gaz exigé par les moteurs ce qui entraine des disfonctionnements répétés.
Selon le constructeur, le syngas produit devrait présenter les caractéristiques ci-après :
Pouvoir calorifique inferieur compris entre 4,5 et 5,0 MJ/Kg (Un mètre cube (1m3) de ce gaz produit peut libérer de l’énergie thermique de l’ordre de 4,5 à 5,0 MJ dans une chaudière) [18] ;
Composition moyenne en monoxyde de carbone CO : 20 ± 1% ; en méthane CH4: 3
±1% ; en dihydrogène H2 : 20 ±1% ; en dioxyde de carbone CO2 : 12 ±1% et Complément (N2 de l’air de gazéification) ;
Capacité à se substituer au diesel à l’ordre de 75 à 80% à des charges normales.
3.1.3 Le groupe électrogène à gaz :
L’application de la gazéification ici est la cogénération d'électricité et de chaleur grâce à un moteur à gaz. Ce moteur à gaz (MAG) Cummins India (présenté ci-dessous) aspire le mélange gazeux (syngas et air) pour assurer la combustion. L’énergie thermique dégagée de cette combustion communique un mouvement rotatif au système (énergie mécanique). Ce mouvement est couplé à une génératrice Stanford de 40 kVA comme puissance électrique apparente avec un Cos = 0.8 équivalent à 32kW en pointe. Le voltage est de 415 V AC triphasé avec une fréquence de 50 Hz.
Figure 3.5: Identification des différents éléments du générateur de l’OVN-Bio [3]
Concernant la récupération de la chaleur, le pot d’échappement de ce co-générateur est relié à des séchoirs pour permettre de sécher davantage la biomasse. En effet, entre le co-générateur et les deux séchoirs, est disposé un souffleur qui aspire la fumée chaude d’échappement et la fait circuler à l’intérieur des séchoirs. La biomasse calibrée à la bonne dimension, est séchée grâce à cette énergie thermique produite par cogénération avant d’être introduite dans le gazogène.
En résumé, le circuit complet de tous l’ensemble gazogène, système de lavage, co-générateur jusqu’aux séchoirs, se présente comme suit :
N° Composants 1 Détendeur 2 Mélange air/gaz 3 Echappement 4 Radiateur 5 Câble vers BRF 6 démarreur
- Le circuit en couleur grise est le circuit d’eau de lavage - Le circuit en noir est le circuit du gaz
- Le circuit bleu est le circuit d’eau froide de refroidissement - Le circuit en violet est pour la fumée chaude
Figure 3.6: Circuit complet de la plateforme de la gazéification (voir annotation)
Annotation :
n° Equipement n° Equipement
1 Réacteur 11 Chiller
2 Cyclone 12 Pompes chiller
3 Laveur à eau 1 13 Laveur à eau glacée
4 Séparation liquide gaz 14 Piège à eau 2
5 Laveur à eau 2 15 Ventilateur
6 Réservoir d'eau de lavage 16 Filtres à poche 7 Tour de refroidissement 17 Détendeur 8 Pompes tour refroidissement 18 Moteur
9 Pompes laveur à eau 19 Ventilateur gaz d'échappement
10 Piège à eau 1 20 Séchoir
3.1.4 Biomasse adaptée au gazogène et étude de disponibilité
La biomasse représente le carburant dans le procédé de gazéification. Tout comme on raffine le pétrole pour faire de l’essence, il nous faut également traiter la biomasse pour son utilisation dans le gazogène. Chaque gazogène de par sa géométrie, ne va pas avoir les mêmes besoins en biomasse. Pour une bonne utilisation du gazogène, il faut bien connaître ses besoins en biomasse. Cela permettra de minimiser sa maintenance et de maximiser ses performances énergétiques.
Comme mentionné plus haut, les ressources utilisées sont essentiellement du bois acacia, les coques de coco et de noix de palme selon la disponibilité (voir figure 3.7).
Figure 3.7: Biomasses adaptées à l'OVN BIO
Ces biomasses découpées et séchées doivent respecter la granulométrie et l’humidité requises. Pour OVN, elles doivent être comprises entre 2,5 cm x 1 x 1 cm et 3 cm x 3 cm x
coques de noix de coco coques de noix de palme
Bois d’acacia auriculiformis
3.1.4.1 Etude de disponibilité de la biomasse :
L’étude de la disponibilité de la ressource biomasse est l’un des paramètres les plus importants dans l’installation d’un système de gazéification. La politique mise en place pour s’assurer d’un approvisionnement durable et renouvelable, en continue est déterminant dans l’estimation du prix du kWh juste et compétitif par rapport à des sources alternatives d’électricité.
Les coques de noix de coco
Les noix de coco sont récupérées comme déchets provenant de l’usine de production de l’huile de coco et de la pâtisserie produisant des biscuits à base de coco (Songhaï).
les coques de noix de palme
Songhaï dispose d’une usine de production de l’huile rouge et de l’huile palmiste ce qui garantit la disponibilité des coques de noix de palme comme déchets.
Le bois
L’utilisation du bois comme source d’énergie ne peut être considérée comme renouvelable et participant pleinement au développement durable que si les rejets émis sont faibles, maîtrisés et n’implique pas la déforestation. À l’heure actuelle, toutes les installations satisfont aux normes de rejets en vigueur, mais il est maintenant nécessaire d’aller plus loin et d’atteindre des performances thermiques proches de celles obtenues avec les combustibles fossiles tout en respectant les normes environnementales [15].
Le centre Songhaï dispose donc d’une surface de 0,35 à 0,5 hectares pour les plantations de bois avec les essences mélangés d’Acacia auriculiformis et quelques pieds d’Eucalyptus.
Le rendement sur cette surface est égal à 3060 plants/0.35 ha en prenant une perte de 10%.
Les plants arrivent à maturité au bout de 12 à 18 mois dépendamment du diamètre désiré.
L’abattage des plants de la plantation se fait dans le même modèle de gestion que les plantations durables d’abord avec une première portion composée du tiers de la surface totale qui serait mis en séchage naturel. Il sera à chaque fois procédé à un reboisement de la partie abattue avant de migrer vers la portion suivante du champ. Le cycle de coupe, de stockage et de traitement pour les plants est de 3 mois.
Par ailleurs, la plateforme achète aussi le bois chez des producteurs locaux dont la
provenance n’est pas certifiée, et il est quantifié et facturé à raison de 40 000 FCFA à 45 000 FCFA le véhicule de convoyage bâché qui correspond environ à 1500 kg de bois
(soit 1 à 1,5 tonnes).
3.1.4.2 Le pouvoir calorifique du bois
Pour déterminer le pouvoir calorifique du bois, des échantillons de l’acacia auriculiformis ont été prélevés du centre Songhaï et transmis au laboratoire du LBEB au 2IE par Aristide DEJEAN (2013). Ce test a été réalisé avec une bombe calorimétrique et le pouvoir calorifique inferieur moyen déterminé est égal à 𝑃𝐶𝐼𝑚𝑜𝑦 = 17940 J/g avec un taux d’humidité égal à 4,3%.
1 J/g = 0.278 KWh/tonne
𝑃𝐶𝐼𝑚𝑜𝑦 = 17940 × 0,278
𝑃𝐶𝐼𝑚𝑜𝑦 = 𝟒𝟗𝟖𝟕, 𝟑𝟐 KWh/tonne
L’énergie thermique contenue dans une quantité M de bois est donc :
𝑬𝑩𝒊𝒐𝒎𝒂𝒔𝒔𝒆= 𝑴 × 𝑷𝑪𝑰 (𝟑. 𝟏)
Avec M : la masse en kg de bois convertis et PCI son pouvoir calorifique inferieur.
Théoriquement, le gazogène a la capacité de convertir environ 35 kg de bois en une heure, cette valeur qui peut varier selon la charge. On a : 𝐸𝐵𝑖𝑜𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 = 35. 10−3× 4987,32
𝑬𝑩𝒊𝒐𝒎𝒂𝒔𝒔𝒆 = 𝟏𝟕𝟒, 𝟓𝟔 𝑲𝑾𝒉
3.2 La consommation électrique du gazogène
Le démarrage du gazogène OVN-Bio nécessite, une source d’énergie électrique pour faire fonctionner le ventilateur et les pompes du chiller qui aspirent l’air dans le réacteur et également les autres auxiliaires. Ainsi pour son propre fonctionnement, le système nécessite
Tableau 3.1: Composants électriques assurant le fonctionnement du gazogène
02 Pompes (principal/secours) de lavage et de refroidissement débit 8 m3/h, Hauteur
40 m
1,119 2,238
01 Tour de refroidissement ∆T = 5°C 0,746 0,746
01 Chiller 2,611 2,611
02 Pompes (principal/secours) du chiller T°=8°C débit 4m3/h, hauteur 40 m
1,119 2,238
02 Pompes (principal/secours) du tank de floculation débit 5m3/h hauteur 20m
1,119 2,238
02 Pompe psf/Débit 5m3/h hauteur 30 m 1,119 2,238 01 Pompe de dosage (polyélectrolyte) :
Débit 1m3/h hauteur 20 m
1,119 1,119
02 Pompes pour eau d’appoint débit 6m3/h hauteur 30 m
0,373 0,746
02 Pompes du refroidisseur principal Débit 8m3/h hauteur 20 m
Les pompes principale et secondaire ne fonctionnant pas simultanément, la consommation électrique au bout d’une heure est 𝐸𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑠 = 14,547 kWh. Donc, sur la puissance totale installée (32 kW) d’énergie électrique, le gazogène OVN-Bio consomme pour son propre fonctionnement au moins 14,5 kW près de la moitié et ne peut fournir que 17,453 kW.
3.3 Problèmes techniques du gazogène
La performance d’une machine est sa capacité et sa fiabilité à effectuer une tache bien précise. Ce test de performance réalisé sur le gazogène nous permettra d’avoir une idée sur l’efficacité et l’efficience de cette machine afin de voir comment optimiser.
3.3.1 Tests de performance du
gazogèneCe test a permis d’étudier la quantité de biomasse consommée pendant un temps donné en fonction de la charge (la consommation spécifique) et la température au sein du réacteur.
Ces données expérimentales serviront à analyser la performance opérationnelle du système en termes de rendement énergétique.
Pour chaque paramètre mesuré, le matériel utilisé est indiqué dans le tableau ci-dessous : Tableau 3.2: Matériel utilisé pour le test
Paramètres Outil/méthode
Consommation en biomasse Balance calibrée à 150 kg (+/-0.5 kg) Température de gazéification, du gaz
entrant dans le moteur et des fumées de combustion du gaz
Thermocouple électronique ; Thermocouple de type K connecté à un afficheur (+/-2°C)
Energie électrique produite Pince ampérométrique pour la mesure de l’intensité calibrée à 400 A. La production d’électricité a été évaluée en faisant un calcul de puissance : 𝑃𝑢 = 𝑈𝐼 × √3 × cos 𝜑 Durée de production de l’électricité Chronomètre
Taux d’humidité et Composition du gaz
Prélèvement de biomasse et de gaz dans des sachets d’échantillonnage au cours des tests.
Analyse des gaz par chromatographie au Micro GC au LBEB/2iE
Composition des fumées Analyseur de gaz Testo (mesure sur site)
Les différentes charges alimentées selon leur disponibilité, sont présentées dans le tableau
Les résultats du test sont présentés dans le tableau suivant :
Tableau 3.4 : Bilan avec le bois et les coques de noix de coco [17]
%
10 Coco 2h00 817 24 63 48 1,3125
11 Coco 2h30 805 24 55,5 48 1,15625
12 Coco 2h30 808 24 60 48 1,25
La consommation spécifique est calculée suivant la formule que voici:
C =quantité de combustible consommée (kg) Energie produite (kWh)
3.3.2 Analyse et interprétation
L’allure des courbes de consommation spécifique de bois et des coques de coco en fonction de la charge sont présentées comme suit :
Figure 3.8 : Courbe de consommation spécifique en fonction de la charge
Les courbes bleue et rouge représentent respectivement courbe de consommation du bois et spécifique des coques de noix de coco en fonction de la charge.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
31% 31% 31% 75% 75% 75% 75% 75% 75%
C en kg/kW
taux de charge
Consommation specifique pour des charges de 30% et 75%
bilan bois bilan coques de coco
une charge de 75%. A cette charge de 75%, la courbe de la consommation spécifique en bois est légèrement au-dessus de celle de coque de noix de coco, bien que ces deux courbes présentent une même allure.
Ces courbes et les expérimentations ont fait ressortir que :
Plus la charge (consommation énergétique) est importante, plus la consommation spécifique du bois diminue ;
Pour une même charge, la consommation spécifique moyenne du bois est supérieure à celle des coques de noix de coco.
Plus la durée de fonctionnement est élevée, moins le gazogène consomme de biomasse ;
La température du gaz à l’intérieur du réacteur tourne autour de 800°C [27];
Si la mise en marche du gazogène est faite dans de bonnes conditions telles que le taux d’humidité du bois ≤ 15%, la granulométrie du bois comprise entre 2,5 cm x 1 x 1 cm et 3 cm x 3 cmx 3 cm, l’étanchéité parfaite de tout le système, absence totale d’élément étranger comme des pierres ou des pièces métalliques et au moins 8h de fonctionnement en continu, la consommation spécifique optimale sera d’environ 1,125 kg/kWh.
Ainsi, il faut m = 36,0 kg de bois et une consommation électrique Eel cons = 14,547 kWh pour produire Eel = 32 kWh d’énergie électrique dans des conditions optimales.
Or 1500kg de bois coûte 45000 F CFA ce qui revient à 1080 F les 36,0 kg (30 F le kilo) et les 14,547 kWh font 1615 F CFA à raison de 111 F le kilowattheure. Ainsi, si les 80% de l’électricité produites sont consommées, on aura 25,5 kWh d’énergie électrique qui revient à 2695 F CFA, soit 106 F le kWh.
Energie chaleur récupérée :
La chaleur récupérée en cogénération atteint les 100 °C à 120 °C dans les deux séchoirs au bout de 15 min de fonctionnement, elle sert à baisser l’humidité de 30% à 15 % de 80 kg de la biomasse en trois heures [3]. Cette énergie thermique revient à la quantité de
chaleur de vaporisation de la quantité d’eau contenue dans la biomasse. Soit une énergie thermique :
Echaleur = meau× Lv (3.2)
Lv : la chaleur latente de vaporisation de l’eau (Lv = 540 kcal/kg à 100°C) 𝑚𝑒𝑎𝑢 : Masse d’eau évacuée de la matière première ;
La quantité d’eau évacuée correspond à la variation de l’humidité ∆H multipliée par la masse de matières premières séchées :
∆H = meau
m bio brute → meau = ∆H × mbio brute
∆H : la variation de l’humidité
mbio brute: Masse de biomasse à sécher
Echaleur = 0,15 × 80 × 540
𝐸𝑐ℎ𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 = 6480 kcal
1 kcal = 4,18 kJ = 1,1611 × 10−3 kWh
𝐄𝐜𝐡𝐚𝐥𝐞𝐮𝐫 = 𝟕, 𝟓𝟐𝟒𝟏 𝐤𝐖𝐡
Contenu énergétique du bois:
Les procédés de la gazéification ne permettent de transférer qu’une partie du contenu énergétique initial de la biomasse à la fraction gazeuse. Les autres produits sont les cendres, ainsi que des cokes et des goudrons qui n’ont pas été complètement convertis [12]. Ainsi, 36,0 kg de bois équivaut à :
𝐸𝑏𝑜𝑖𝑠 = 36 × 10−3× 4987,32 = 179,5435 kWh 𝑬𝒃𝒐𝒊𝒔 = 𝟏𝟕𝟗, 𝟓𝟒𝟑𝟓 𝐤𝐖𝐡
3.3.3 Le rendement énergétique du gazogène
Le calcul du rendement permet de déterminer l’efficacité d’un système. L’intérêt sera de déterminer des conditions opératoires permettant de l’optimiser pour s’approcher le plus près possible de 100%. Ce rendement s’exprime par :
𝑟 =énergie électrique fournie + chaleur recuperée énergie bois + énergie électrique reçue rendements énergétiques (gazogène + co-générateur) qui est de 20 à 25% [19].
Ce rendement relativement faible et les pannes répétées recensées au niveau du système nous permettent de formuler les hypothèses ci-dessous. Plusieurs raisons pourraient être à l’origine de ce mauvais rendement telles que :
L’utilisation de l’air comme agent gazéifiant tend à faire baisser le PCI du syngas, du fait de la forte proportion d’azote dans le gaz (gaz pauvre) ;
Le système de lavage (nettoyage et refroidissement du gaz) à eau refroidissant du gaz de 800°C à 40°C sans aucune valorisation thermique de cette chaleur ;
La teneur élevée en particules solides « goudrons » du syngas, diminuant le PCI du gaz et abaisse la performance du groupe générateur ;
le colmatage des conduites par ces particules goudrons réduit le passage (diamètre) au gaz, il se crée une pression hydraulique jusqu’à l’entrée du moteur voir figure 3.8.
Ce phénomène pourrait être à la base des pannes répétées que subit le co-générateur.
Conclusion
Nous retenons donc que le rendement global du gazogène OVN-Bio indien, implanté au centre songhaï est d’environ 17% si l’on considère sa consommation spécifique et sa consommation électrique ; ce qui implique un cout du kWh évalué à 106 F CFA. Ce coût relativement élevé, devra être diminué à travers la mise en application des hypothèses formulées ci-dessus surtout pour la diminution du taux de goudrons dans le syngas.
4
CHAPITRE 4 : ETUDE TECHNIQUE DU SYSTEME DE CRAQUAGE DES GOUDRONS ET ANALYSE FINANCIERE
Introduction
L’application du craquage thermique pur et de l’élimination catalytique pure avec l’usage de la dolomite permettra d’examiner à travers les résultats, les caractéristiques du dispositif de craquage adéquat. Il sera donc question dans ce chapitre de présenter les résultats des deux techniques et de ressortir la méthode la plus adaptée en termes d’efficacité, du respect de l’environnement et du coût.