2. Présentation du pilote expérimental et de ses équipements
2.4. Système de traitement des effluents gazeux sortants de l’unité
Lors de la pyrogazéification de la biomasse en lit fluidisé circulant, le gaz sortant du gazéifieur est composé d’azote, de vapeur d’eau et de gaz de synthèse brut (H2, CO, CO2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6,
CaHb, CxHyOz). En outre, les fumées sortant du combusteur peuvent contenir une partie du gaz naturel
non converti ou du monoxyde de carbone. Ainsi, la nature inflammable et toxique des gaz sortant des réacteurs impose leur traitement avant rejet à l’atmosphère. Ce traitement se compose des étapes suivantes :
Combustion des espèces combustibles à l’aide de deux chambres de post-combustion, permettant de traiter les effluents gazeux sortants des réacteurs selon les normes imposées par la législation (température ≥ 850 °C, temps de séjour ≥ 3 secondes, excès d’oxygène) ;
Mélange des fumées issues des chambres de post-combustion ;
Refroidissement des fumées. Ce refroidissement s’effectue en deux étapes. La première, réalisée dans un échangeur multi-tubulaire, assure le refroidissement des fumées et la condensation partielle de la vapeur d’eau. Le second consiste en une dilution des fumées incondensables par un courant d’air frais ;
Filtration des fumées. Elle est effectuée en deux étapes en série : o Une filtration grossière grâce à un filtre cyclonique ;
o Une filtration fine grâce à un filtre à manche composé de trente-six cartouches filtrantes. La circulation du gaz à travers ces éléments est assurée par un système d’extraction indépendant, de la marque A.C.D. Ingénierie® (modèle Vacomat 200XP, débit maximal aspiré = 2495 Nm3.h-1).
Figure 2.17: Evolution du débit de solide circulant en fonction du débit d’air secondaire (température ambiante, inventaire d’olivine = 40 kg, hauteur de canne d’injection d’air secondaire = 25 cm, débit d’air au
gazéifieur = 44 Nm3.h-1, débit d’air primaire au combusteur = 16 Nm3.h-1 et débit d’air au
standpipe = 3 Nm3.h-1).
2.4.1. Chambres de post-combustion des gaz
Une chambre de post-combustion est placée en sortie de chaque réacteur afin de brûler toute espèce combustible. Les chambres de post-combustion ont été fournies par la société AEM®. Une flamme est générée dans la chambre grâce à un brûleur alimenté en gaz naturel et en air (appelé air de combustion). Le gaz issu du réacteur concerné traverse cette chambre, dont la température est maintenue à 850 °C. Un circuit d’air de dilution permet le refroidissement de la chambre si la température mesurée dépasse la consigne. Un régulateur de température de type PID, associé à un capteur de température placé dans la chambre, permet de maintenir la température à sa valeur consigne, en modifiant les débits d’air de combustion et de dilution. La Figure 2.18 présente le schéma de principe de ces chambres.
Le pré-dimensionnement des chambres de post-combustion a été réalisé de manière parallèle au LGC ainsi que par le fournisseur AEM®. Après concertation, les caractéristiques du dimensionnement complet, présentées dans le Tableau 2.11, ont été adoptées. De plus, une photographie de ces chambres de post-combustion, ainsi que des panoplies de gaz associées, est disponible sur la Figure 2.19.
2.4.2. Mélange et refroidissement des fumées
Une chambre de mélange est placée en sortie des deux chambres de post-combustion dans le but de mélanger les deux courants de fumées. La longueur de cette chambre de mélange est de 1,6 m et son diamètre est de 0,3 m. Une photographie de cette chambre de mélange est disponible sur la Figure 2.20.
Figure 2.18: Schéma de principe des chambres de post-combustion. Chambre de post-combustion
associée au gazéifieur Chambre de post-combustion associée au combusteur
Diamètre (partie cylindrique) (m) 0,9 0,9
Hauteur totale (m) 2,6 2,6
Puissance nominale (kW) 45 15
Puissance minimale (kW) 3,75 5
Débit de gaz naturel maximum
(Nm3.h-1) 4,5 1,36
Débit de gaz naturel minimum
(Nm3.h-1) 0,375 0,45
Débit d’air de combustion (Nm3.h-1) 5 – 55 5 – 15
Débit d’air de dilution (Nm3.h-1) 0 – 150 Non nécessaire
Tableau 2.11: Résumé des dimensions des chambres de post-combustion.
Figure 2.19: Photographie des chambres de post-combustion.
Les fumées sortant de la chambre de mélange sont ensuite refroidies jusqu’à une température de 40 °C grâce à un échangeur multitubulaire alimenté en eau de refroidissement. L’eau circule dans la calandre alors que les fumées à refroidir traversent les tubes. Une boite de condensats, placée en sortie de
l’échangeur, permet la récupération et l’évacuation des condensats vers les égouts (Figure 2.21). Le dimensionnement, ainsi que la construction de l’échangeur ont entièrement été réalisés au LGC. Ses principales caractéristiques sont présentées dans le Tableau 2.12.
Enfin, les fumées sont diluées et refroidies jusqu’à 30 °C par l’arrivée d’air frais via le montage en Y présenté sur la Figure 2.22. Le débit d’air ainsi injecté dépend du pourcentage d’ouverture d’une vanne mécanique.
Figure 2.20: Photographie de la chambre de mélange des fumées.
Flux de chaleur échangé 100 kW
Surface d’échange 8 m2
CÔTE TUBES
Nombre de tubes 12
Diamètre interne des tubes 48 mm
Epaisseur des tubes 2 mm
Longueur des tubes 5 m
CÔTE CALANDRE
Diamètre interne 269 mm
Epaisseur 8 mm
Longueur 5,5 m
Tableau 2.12: Résumé des dimensions de l’échangeur.
Figure 2.21: Photographie de la boîte de récupération des condensats, à l’extrémité de l’échangeur.
2.4.3. Filtration des fumées
Après refroidissement, le courant gazeux traverse un séparateur cyclonique de 900 mm de diamètre interne, fourni par A.C.D Ingénierie®, dont les caractéristiques sont précisées dans le Tableau 2.13, permettant de retenir les plus grosses particules et de les collecter dans un bac étanche à sa base.
En sortie de cyclone, le gaz traverse un filtre à manche équipé de trente-six cartouches filtrantes en feutre antistatique placés en parallèles (diamètre = 160 mm, hauteur = 800 mm, surface filtrante = 14,5 m2, température maximale admise = 60 °C), couplé au système d’extraction des gaz, retenant les
plus fines particules (jusqu’à 3 microns). Une photographie du système d’aspiration couplé aux filtres à manche est disponible sur la Figure 2.23. Enfin, le gaz ainsi filtré est rejeté à l’atmosphère.
Figure 2.22: Photographie du dispositif de dilution des fumées.
Tableau 2.13: Dimensions, schéma et photographie du séparateur cyclonique.