c/- Procédure de calage des paramètres cinétiques et des facteurs de forme pour les transferts pour les transferts

Avant le lancement des simulations en vue de la validation du modèle, nous avons procédé à des vérifications. Celles-ci consistent à vérifier que le modèle converge et qu'il n'est pas sensible au pas de temps ni au nombre de nœuds.

Le calage des paramètres a été réalisé de la façon suivante, pour chacune des atmosphères considérées :

(1). Calage des constantes pré-exponentielles d'Arrhenius (A_i)

Sur le même graphe, nous mettons les résultats (X=f(t)), expérimentaux à une certaine température et une certaine taille, puis les résultats de leurs simulations numériques. Les constantes pré-exponentielles (Ai) du modèle cinétique sont ajustées da façon à superposer les courbes du modèle à celles de l'expérience. Les valeurs de A_i pour lesquelles les deux courbes se superposent constituent une première approche des valeurs de ces paramètres.

(2). Calage du facteur de correction pour les transferts (ξ)

Sur le même graphe, il est superposé les résultats expérimentaux et les simulations numériques relatives aux différentes épaisseurs de la particule. En faisant varier par tâtonnement la constante ξ, la valeur pour laquelle on reproduit la sensibilité à l'épaisseur est retenue.

--- JP TAGUTCHOU (2008) / Thèse / Gazéification du charbon de plaquettes forestières : particule isolée et lit fixe continu 130

Ensuite, on fait de nouvelles simulations dans les conditions de référence ; on réajuste alors uniquement les constantes A_i. On effectue les "va-et-vient" jusqu'à la superposition des résultats du modèle à la courbe expérimentale de référence.

(3). Calage des énergies d'activation (Eai)

Les données expérimentales obtenues à différentes températures sont mises sur un même graphe ainsi que les résultats des simulations numériques correspondantes. On fait ainsi plusieurs simulations en tâtonnant uniquement sur les valeurs des énergies d'activation Eai des constantes cinétiques k_i (les A_i restant constants à leurs valeurs finales de l’étape (2)).

Les valeurs des Eai pour lesquelles, on a la même sensibilité à la température que celle de l’expérience constituent alors les premières approches des valeurs des énergies d'activations.

(4). Calage final des paramètres cinétiques (A_i et Eai)

Les derniers calages sont réalisés en superposant les courbes expérimentales et celles issues des simulations numériques à différentes concentrations de réactifs (vapeur d'eau). En ajustant prioritairement les A_i, on parvient à faire coller les différentes courbes ; le modèle est alors déclaré calé.

Il est important de noter que pour que les paramètres du modèle soient efficacement calés, il est nécessaire de faire plusieurs allers-retours entre les étapes (1) et (4).

III.4.5.2 Présentation des résultats III.4.5.2.a/- Gazéification à la vapeur d’eau

Au regard des résultats obtenus (Figure 53), nous pouvons dire que les données expérimentales permettent de valider le modèle numérique, du moins pour ce qui est de l'influence de la dimension caractéristique de la particule. Le modèle traduit bien les effets de résistance diffusionnelle, ce qui témoigne de la bonne modélisation des transferts (externes et/ou internes) de chaleur et/ou de matière.

Concernant la température d'une part et des concentrations de vapeur d'eau d'autre part (Figure 54 et Figure 55), le modèle reproduit de façon acceptable les résultats expérimentaux. Ceci témoigne non seulement du bon choix du modèle cinétique de gazéification, mais également des valeurs des constantes cinétiques y afférant, ainsi que du modèle de fonction de surface utilisée (voir Tableau 15).

Ainsi, nous avons pu déterminer les paramètres cinétiques (constantes pré exponentielles d’Arrhenius et énergies d’activation) de la réaction de gazéification de notre char à la vapeur d'eau (Tableau 16). Ce résultat est important dans la mesure où dans la littérature, on retrouve une diversité de paramètres cinétiques suivant différents modèles.

Tableau 16: Paramètres cinétiques utilisés

Paramètres cinétique Valeurs utilisées dans le modèle A1 (s^-1.atm^-1) 7,4084x10³

Au regard de ce tableau, on se rend compte que la constante cinétique k2 (6,535 atm^-1) est importante comparé à k3 (3,714.10^-7 atm^-1) par exemple ; ceci témoigne de la prise en compte de l'inhibition par l'hydrogène de la gazéification à la vapeur d'eau (Eq. 81)

( 2 ^{2 2 2 2}

+ + ). La faible valeur de l'énergie d'activation Ea2 montre que cet effet (inhibition) n'est pas très sensible à la température. C'est donc la pression totale et la concentration de H2O qui détermineraient d'inhibition par les produits gazeux [49, 51, 64, 73, 80, 82, 98, 102].

Par ailleurs le facteur de correction des transferts déterminé vaut : ξ =1,098. Le facteur de forme compensant les erreurs de choix de la dimension caractéristique de l'écoulement, a été fixé à : χ=0,75.

--- JP TAGUTCHOU (2008) / Thèse / Gazéification du charbon de plaquettes forestières : particule isolée et lit fixe continu 132

0%

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250

Temps (s)

Figure 53: Influence de la dimension caractéristique

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Temps (s)

Figure 54: Influence de la concentration de vapeur d'eau

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Temps (s)

Figure 55: Influence de la température

III.4.5.2.b/- Oxydation à l'oxygène

Comme le montrent les résultats obtenus (Figure 56) les courbes des simulations théoriques se superposent correctement aux courbes expérimentales.

-

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Temps (s)

Figure 56: Influence de la concentration d'Oxygène

La validation de ce modèle cinétique (Eq. 85) (^{rO2 =k p1 On2}) de combustion nous a permis de déterminer l'ordre n de la réaction ainsi que les constantes cinétiques (Tableau 17) :

Tableau 17 : Paramètres cinétiques utilisés pour la réaction de combustion Paramètres cinétiques Valeurs

A1 (s^-1.atm^-0,626) 5,27x10⁹

k1

Ea1 (kJ.mol^-1) 214

n 0,626

III.4.5.2.c/- Gazéification au dioxyde de carbone

La superposition des courbes expérimentales et théoriques (Figure 57) montre que le modèle cinétique au CO2 (Eq. 83) ( ₂ ² expérimentaux se superposent mieux lorsque les concentrations de CO2 sont élevées (40%).

L'influence de la température est assez bien prise en compte par le modèle (Figure 58).

Nous remarquons que pour ce paramètre, un léger décalage subsiste pour la température élevée. Nous n’avons pas pu trouver d’explication, mais ceci pourrait s'expliquer par la sensibilité de la fonction de surface à la température.

Les paramètres cinétiques que nous avons déterminés dans ce cas sont répertoriés dans le Tableau 18. Nous remarquons que la valeur de la constante cinétique k3 est importante (9,63.10⁶ atm^-1) (Eq. 83), et indépendante de la température (énergie d'activation associée nulle). Ce paramètre permet par ailleurs de prendre en compte l'effet d'inhibition par le CO.

Ceci nous montre donc que cet effet ne dépend pas de la température. Il dépend principalement de la pression et des concentrations des réactifs comme rapporté dans la littérature [49, 51, 64, 73, 80, 82, 98, 102].

--- JP TAGUTCHOU (2008) / Thèse / Gazéification du charbon de plaquettes forestières : particule isolée et lit fixe continu 134

Tableau 18 : Paramètres cinétiques utilisés pour la réaction de Boudouard Paramètres cinétiques Valeurs

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Temps (s)

Figure 57 : Influence de la concentration de CO2

0%

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000

Temps (s)

Figure 58 : Influence de la température