La vitesse des gaz autour de la particule a une influence sur les transferts externes. Une vitesse élevée facilite les transferts externes en augmentant les nombres de Nusselt et de Sherwood, et la réaction ne peut être limitée par ce paramètre. Ainsi la vitesse d'écoulement n'aura d'influence sur la gazéification que dans le cas où les transferts externes sont non négligeables (Régime III). C'est donc le cas pour des particules assez grosses où lorsque l'on opère à des températures très élevées. Plusieurs études ont porté sur le rôle de la vitesse d'écoulement des gaz sur la cinétique de réaction. Pendant la gazéification d'une particule de char, Standish et al. ont fait varier la vitesse des gaz autour de la particule de 22 mm entre 0,0087 et 0,0433 m.s-1 et ont remarqué que la cinétique diminuait jusqu'à un minimum autour de 0,026 m.s-1, puis augmentait pour atteindre une valeur constante au-delà de 0,0433 m.s-1 [75]. Dasappa et al. ont fait les mêmes types d'observations sur les particules de 10mm de diamètre [109].
Mermoud n'a observé en revanche aucune influence significative de la vitesse des gaz (entre 0,09 et 0,30m.s-1) sur la gazéification des particules de 10 mm. Ces résultats lui ont permis d'apporter des explications sur les résultats des auteurs cités plus haut. En effet Mermoud pense que pour des gammes de vitesse faibles, il y a compétition entre la convection forcée (vers le bas) et la convection naturelle (vers le haut, du fait des produits de réaction –CO et H2- du reste plus légers que l'atmosphère de réaction). Au fur et à mesure donc que la vitesse augmente, elle va empêcher les produits de réaction de quitter la surface de la particule et provoquer ainsi un ralentissement de la cinétique jusqu'à un minimum équivalent à la vitesse équilibrant la convection naturelle. A partir de ce moment, la convection forcée prend le dessus et les produits sont évacués de la surface de la particule, d'où l'augmentation de la cinétique globale jusqu'à la cinétique pour laquelle les transferts externes ne constituent plus les phénomènes limitant [2].
--- JP TAGUTCHOU (2008) / Thèse / Gazéification du charbon de plaquettes forestières : particule isolée et lit fixe continu 80
COCONNCCLLUUSSIIOONN
Au terme de cette étude bibliographique, nous avons constaté que les mécanismes de gazéification de charbon de biomasse sont encore mal connus. Le recours aux mécanismes développés et proposés pour le charbon minéral est classique malgré les différences observées dans les comportements thermochimiques. Nous avons remarqué que la cinétique chimique intrinsèque a été largement étudiée et plusieurs types de modèles cinétiques sont proposés dans la littérature. Ces modèles sont pour la plupart basés sur les mécanismes élémentaires d'étapes dits de Langmuir-Hinshelwood, faisant appel au concept de sites actifs disponibles.
Ce concept est fondé sur le fait que dans les réactions hétérogènes impliquant la matière carboneuse et des réactifs gazeux, tous les atomes de carbone de surface ne sont pas accessibles au réactif, et seuls certains sites de surface dits sites actifs le sont. En effet, les sites non disponibles pour la réaction résultent de la formation de complexes de surface Carbone-Oxygène (C-O) très stables et susceptibles de ne former que très lentement ou pas du tout les composés intermédiaires C(O). Plusieurs études ont par ailleurs montré que la concentration initiale de ces sites actifs n'est pas constante et évolue avec le taux de conversion. Certains auteurs prennent en compte cette réalité par l'utilisation implicite ou explicite d'une fonction de surface appelée profil de structure. Cette fonction traduit l'évolution de la disponibilité des sites et des complexes de surface qui se forment durant les phénomènes d'adsorption nécessaires à la réalisation de la réaction chimique.
Au-delà de ces aspects principalement chimiques, l'influence des phénomènes physiques de transport sur la conversion a été également discutée. Enfin, pour comprendre le degré d'impact de chaque paramètre du procédé de gazéification, une analyse fine des différents facteurs influençant le processus a été réalisé en prélude d'une étude paramétrique de la réaction de gazéification.
Nous avons dans cette partie pu relever le rôle joué par la taille et la forme d'une particule de char, avant de constater un manque de données concernant la gazéification des particules de forme non sphérique. Il en est de même d'une carence d'information sur la gazéification dans une atmosphère réactive mixte (CO2 +H2O). La compétition des différents réactifs pour les mêmes sites actifs dans ce cas n'est pas clairement discutée dans la littérature.
Et enfin, en ce qui concerne les phénomènes d'adsorption de la vapeur d'eau, les seules données disponibles concernent l'adsorption de l'eau à basse température.
CHAPITRE III : GGAAZZEEIIFFIICCAATTIIOONN DD’’UUNNEE PPAARRTITICCUULLEE IISSOOLLEEEE D
DEE CCHHAARRBBOON N DDEE BBOOIISS
IIIIII..11 ININTTRROODUDUCCTTIIOONN
Au terme du chapitre précédent, nous avons constaté que l'ensemble des mécanismes de gazéification restait encore mal connu et que beaucoup d'études portaient sur des particules de forme sphérique. Pourtant, la forme de la particule joue un rôle important dans les phénomènes physiques de transfert de chaleur et de matière. Ainsi, nous présentons ici notre étude sur la gazéification d'une particule isolée, de forme non sphérique, suivant une approche à la fois expérimentale et numérique.
• L’étude expérimentale consiste en la caractérisation de la gazéification d'un charbon dans des conditions thermodynamiques bien contrôlées : température, pression, concentrations des réactifs. Nous avons opté pour un charbon issu de plaquettes forestières disponible en France et utilisées dans les chaufferies industrielles. L’équipement expérimental utilisé fonctionne sur le principe d’une thermo-balance. L'évolution de la perte de masse de la particule dans différentes atmosphères réactives composées de H2O, CO2, et O2 et à différentes températures peut ainsi être mesurée. Une attention particulière a été portée sur la gazéification du char dans un mélange de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone.
• En ce qui concerne l'étude numérique, nous avons complété le modèle développé dans le cadre des travaux de Mlle Floriane Mermoud [2] afin de prendre notamment en compte la non sphéricité des particules et les fonctions de surface. L'objectif principal était de valider le modèle dans des atmosphères réactives de vapeur d'eau, d'oxygène et de dioxyde de carbone et de déterminer les constantes cinétiques des différentes réactions. Un modèle cinétique prenant en compte les interactions entre le CO2 et l'H2O en situation de mélange a été proposé, puis validé.
Ce chapitre est subdivisé en trois parties présentant successivement :
- D'une part la description et la caractérisation de la matière première ; il s'agit du charbon de pin maritime pyrolysé dans des conditions précises et bien contrôlées. Le choix du charbon plutôt que la biomasse brute est justifié par notre désir d'étudier l'étape de gazéification.
- D'autre part, l'étude expérimentale de gazéification conduite suivant une méthodologie précise. Il y est tout d'abord question de déterminer la dimension caractéristique de la particule. Ensuite, des particules de dimensions précises sont choisies comme particules de référence pour la conduite d'une étude paramétrique des concentrations de réactif et de la
--- JP TAGUTCHOU (2008) / Thèse / Gazéification du charbon de plaquettes forestières : particule isolée et lit fixe continu 82 température. Une analyse comparative de la gazéification au H2O et au CO2 ainsi que de la compétition entre les deux réactifs en situation de mélange est faite par la suite.
- Enfin, vient la validation du modèle numérique à l'aide des données expérimentales obtenues. Sur la base des résultats et observations expérimentales, un modèle cinétique prenant en compte la compétition entre le CO2 et le H2O est développé et proposé. Ce modèle est validé à l'aide des résultats expérimentaux.
IIIIII..22 DEDESSCCRRIIPPTTIIOON N EETT CACARRAACTCTEERRIISSAATTIIOON N DUDU CCHHAARRBBOON N DDE E BOBOIISS
Le charbon de pin maritime a été produit lors de l'étape de pyrolyse du procédé de gazéification étagée du CIRAD.
IIIIII..22..11 LaLa mmaattiièèrree pprreemmiièèrree :: ppllaaqquueetttteess ffoorreessttiièèrreess ddee ppiinn mmaarriittiimmee La matière première est constituée de plaquettes forestières de pin maritime. Certaines propriétés présentées dans ce chapitre ne sont pas utiles à l'échelle de la particule, mais sont importantes pour l'étude à l'échelle du lit (distribution granulométrique par exemple).
Après réception, ces plaquettes sont caractérisées, puis pyrolysées pour obtenir le charbon à étudier.