Revue des principales technologies de gazéification

Ce paragraphe dresse un rappel des états de l’art des technologies de gazéification réalisés dans les rapports ADEME [40] et RECORD [43] qui ont permis de regrouper les procédés existants en sept catégories.

2.2.3.1 Gazéification à lit fixe

La technologie à lit fixe repose sur le principe de déplacement d’un lit dense formé par couche de solide au sein du gazéifieur. Ces procédés peuvent être à contre-courant ou co-courant selon le sens de circulation de l’agent gazéifiant dans le réacteur. A noter que la technologie à lit fixe requiert une charge densifiée et d’une certaine granulométrie.

Figure 9. Schéma de principe de la gazéification à lit fixe contre-courant (à gauche) et co-courant (à droite) [44]

 Contre-courant

La charge solide est admise dans la partie supérieure du réacteur vertical alors que l’agent gazéifiant pénètre par le bas et remonte dans l’enceinte. Le gaz de synthèse, dont une partie de l’énergie est soutirée afin de préchauffer la charge, est récupéré dans la partie supérieure du réacteur à des températures relativement basses. La bonne performance énergétique du procédé, due à ce transfert de chaleur est néanmoins balancée par la forte teneur en goudrons du gaz de synthèse.

 Co-courant

La charge solide est admise dans la partie supérieure du réacteur vertical et l’agent gazéifiant est introduit à mi- réacteur. Le gaz de synthèse est récupéré dans la partie inférieure du réacteur. Par comparaison avec le procédé contre-courant, la gazéification survient après l’oxydation de la charge. Ceci permet le craquage thermique des goudrons issus de la pyrolyse, d’où une plus faible teneur en goudrons du gaz de synthèse. En revanche, la récupération de gaz chauds engendre un rendement énergétique moindre.

2.2.3.2 Gazéification à lit fluidisé

Le fonctionnement des procédés à lit fluidisé repose sur la mise en mouvement des particules solides dans le réacteur, rendue possible par l’écoulement d’agent gazéifiant, qui a pour effet d’améliorer les échanges thermiques et massiques entre gaz et solide. Cette technique met en jeu l’utilisation d’un média caloporteur, c’est-à-dire d’un matériau inerte chauffé, tel que le sable, qui assure un transfert thermique homogène vers la charge à gazéifier. Cette technologie requiert une faible granulométrie. Selon la vitesse de l’agent gazéifiant, encore appelée vitesse de fluidisation pour ces procédés, deux cas peuvent être différenciés :

- la gazéification à lit fluidisé dense, encore appelé lit fluidisé bouillonnant, pour laquelle la vitesse de fluidisation est comprise entre 1 et 2 m/s, qui permet d’assurer un brassage des particules sans les entrainer hors du lit,

- la gazéification à lit fluidisé circulant dont la vitesse de fluidisation plus importante (comprise entre 4 et 6 m/s) assure un mouvement des particules au sein du réacteur avec entrainement d’une partie du lit.

Si la gazéification à lit fluidisé a l’avantage d’optimiser transferts thermiques et massiques, le prétraitement de la charge entrante et les dispositifs d’épuration du gaz de synthèse supplémentaires à mettre en place constituent les principaux inconvénients.

Figure 10. Schéma de principe de la gazéification à lit fluidisé [44]

2.2.3.3 Gazéification à lit entrainé

La gazéification à lit entrainé est assez proche des procédés à lit fluidisé, mais la vitesse de fluidisation est nettement plus importante (supérieure à 8 m/s).

La vitesse des particules solides dans le réacteur est presque identique à celle de l’agent gazéifiant avec des réactions à haute température, supérieure à 1 200 °C. Ce procédé requiert une granulométrie très fine de la charge.

Figure 11. Schéma de principe de la gazéification à lit entraîné [44]

2.2.3.4 Gazéification à four tournant

Ce procédé utilise des fours rotatifs horizontaux légèrement inclinés et divisés en deux zones, ce qui permet la séparation des étapes de pyrolyse et de gazéification. La traversée des fours rotatifs horizontaux par la charge combustible se fait à contre-courant de l’agent gazéifiant. La rotation est assurée par un tambour rotatif, dont la vitesse de rotation permet de contrôler le temps de séjour du combustible dans chaque zone.

Figure 12. Schéma de principe de la gazéification à four tournant [40]

L’intérêt de la séparation physique de la pyrolyse et de la gazéification réside dans l’optimisation des paramètres propres à chacune de ces transformations chimiques.

2.2.3.5 Gazéification à sole rotative

L’utilisation d’une sole rotative comme base du réacteur constitue la principale différence entre ce procédé et les autres technologies. Dans le procédé Lurgy Dry-Bottom, la grille rotative est notamment utilisée comme extracteur de cendres.

2.2.3.6 Gazéification indirecte

Un procédé de gazéification est indirect lorsque l’étape de gazéification est réalisée dans deux chambres distinctes.L’oxydation partielle est réalisée dans un réacteur différent de celui où ont lieu les réactions endothermiques de gazéification du résidu carboné.

2.2.3.7 Gazéification à arc plasma

Ce procédé de gazéification appartient à la catégorie des procédés allothermiques, c’est-à-dire que l’énergie nécessaire aux réactions endothermiques n’est pas fournie par la combustion d’une fraction de la charge entrante mais par l’arc plasma. Ce-dernier permet d’atteindre de très hautes températures qui permettent également l’épuration du gaz de synthèse, notamment en assurant le craquage thermique des goudrons.

Figure 14. Technologies de gazéification plasmaWestinghouse (Données Alter NRG)

2.2.3.8 Gazéification hydrothermale en eau supercritique

Ce paragraphe dresse un état des lieux sur la technique de gazéification hydrothermale en eau supercritique (SCWG, Super Critical Water Gasification) en s’appuyant sur un rapport de thèse de l’université de Toulouse [45].

Contrairement à la gazéification à haute température (HTG, High Temperature Gasification) qui a fait l’objet des paragraphes placés en amont, le principal intérêt de cette technique réside dans la possibilité de convertir des gisements très humides sans étape de séchage préalable. En effet, le séchage a un impact défavorable sur l’efficacité énergétique du procédé, c’est pourquoi il est préférable de recourir à la gazéification SCWG lorsque les gisements présentent un contenu en humidité important, c’est-à-dire supérieur à 40 % en masse.

En effet, la particularité de ce procédé est de tirer parti des propriétés physico-chimiques de l’eau à l’état supercritique (P > 221 bar, T > 374 °C), notamment la haute miscibilité des composés organiques qui se traduit par des réactions très rapide et complète.

Malgré le vif intérêt suscité par cette technique depuis 1978, les technologies de réacteurs existantes restent toujours à l’échelle du laboratoire. En effet, les contraintes liées au fonctionnement de la gazéification SCWG, telles que la haute pression requise, la corrosion ou la précipitation de sels limitent actuellement l’industrialisation du procédé.

2.2.4 Comparaison des conditions de pré-conditionnement des déchets par