CARACTERISATION PHYSICO-CHIMIQUE DE LA BIOMASSE TROPICALE :

Texte intégral

(1)No d’ordre……. Université d’Abomey-Calavi. Ecole Doctorale Sciences et Techniques de l’Ingénieur Thèse de Doctorat Unique Présentée pour l’obtention du grade de Docteur de l’Université d’Abomey-Calavi Spécialité : Energétique et Environnement CARACTERISATION PHYSICO-CHIMIQUE DE LA BIOMASSE TROPICALE : APPLICATION A LA MODELISATION DES REACTIONS DE PYROLYSE ET DE GAZEIFICATION. Présenté par : Docteur-Ingénieur Latif Adéniyi FAGBEMI RAPPORTEURS : Pr NAPO Kossi Pr SANYA Emile. Université de Lomé (TOGO) Université d’Abomey-Calavi (BENIN).  Président :. Soutenue le : Devant le jury composé de :. Pr HOUNKONNOU Norbert. Université d’Abomey-Calavi (BENIN).  Membres : Pr NAPO Kossi. Université de Lomé (TOGO). Rapporteur. Pr DANSI A. Alexandre. Université de Parakou (BENIN). Examinateur. Pr SANYA Emile. Université d’Abomey-Calavi (BENIN). Rapporteur. Pr BANNA Magolnéèna. Université de Lomé (TOGO). Examinateur. Pr DEGAN Gérard. Université d’Abomey-Calavi (BENIN). Directeur de thèse.

(2) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 2.

(3) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. DEDICACES. A mes parents, feu FAGBEMI I. Abiodoun et particulièrement à ma très chère mère LIAMIDI Rafiatou, à ma tendre épouse MAMA Mas-oudath, à mes enfants Rafik, Mouna et Mounia, à mon frère et ami feu Adédjouma A Sèmiyou et tous ceux qui me sont chers.. .. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page iii.

(4) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. REMERCIEMENTS. J’adresse mes sincères remerciements à toutes les personnes sans lesquelles ce travail n’aurait pas été possible, en particulier:. au Professeur Brice SINSIN, Recteur de l’Université d’Abomey-Calavi et ses collaborateurs, pour avoir facilité le déroulement des études dans le cadre de cette thèse de Doctorat Unique; au Professeur Gérard DEGAN, Directeur de ma thèse, pour les multiples conseils reçus pour l’heureux aboutissement. de cette thèse et pour. l’amélioration constante de ce mémoire rapport ; au Professeur Félicien AVLESSI, Directeur de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi et ses collaborateurs, pour leur implication salutaire dans l’élaboration du présent document ; à tous les collègues Enseignants-Chercheurs de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi en général et du département de Génie Mécanique et Energétique en particulier, plus précisément le Professeur Dominique Koko SOHONHLOUE et le Professeur Emile A. SANYA, pour leurs encouragements à recommencer le présent processus; aux éminents Membres du jury qui ont accepté d’apporter leur jugement à ce mémoire ; aux doctorants Farid David G. ADAMON et Joël ZINZALO pour leur contribution à la mise en forme du mémoire; à tous ceux qui, de prêt ou de loin, à tout niveau, m’ont soutenu de quelle que manière que ce soit, dans cette nouvelle aventure. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page iv.

(5) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. RESUME. La présente étude traite de la gazéification de la biomasse qui demeure un mode de valorisation énergétique le plus prometteur pour l’avenir dans le cadre de la transition énergétique qui s’impose à l’humanité, tant sur les aspects scientifiques que techniques. En effet, les différentes étapes de la gazéification, à savoir le séchage, la pyrolyse, la réaction secondaire de la pyrolyse et les réactions de réduction, ont été profondément étudiées sur le plan théorique, expérimental et numérique, l’objectif final étant de disposer d’un modèle numérique de prévision de la composition molaire des gaz produits. Dans le domaine des matières premières, les résultats expérimentaux ont débouché sur la détermination des caractéristiques physicochimiques de plusieurs déchets agricoles et ont permis d’établir les relations numériques reliant ces grandeurs qui ont une influence sur le procédé de gazéification. Pour la pyrolyse, l’étude a permis d’évaluer la composition massique des produits de décomposition thermique (gaz, eau, goudron et charbon) pour trois types de biomasse représentative (bois, coques de coco et paille) à des températures de 400°C à 900°C. A partir des résultats expérimentaux obtenus, des équations ont été proposées sur la variation de la quantité de ces produits en fonction de la température pour les trois biomasses et un modèle cinétique du cracking thermique du goudron pour des temps de séjour allant de zéro à 4 secondes a été proposé. Ce modèle peut être appliqué à la purification des gaz de gazéification qui alimentent les moteurs thermiques et peut contribuer au dimensionnement des gazogènes. Enfin, à partir des modèles cinétiques des réactions de réduction de la gazéification, nous avons pu proposer un modèle de prévision de la composition molaire des gaz de gazéification. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page v.

(6) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. Le modèle est dénommé « modèle séquentiel avancé (MSA)» et s’appuie sur toutes les équations obtenues au niveau des étapes du procédé de gazéification. Il donne de meilleurs résultats comparativement aux modèles existants. Il permet de calculer le rendement énergétique optimal de la gazéification par la variation des paramètres opératoires (température, temps de séjour, humidité, quantité d’agent gazéifiant) et de faire une étude de faisabilité économique du processus. Le « modèle séquentiel avancé (MSA)»constitue un bon outil d’aide à la décision.. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page vi.

(7) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. ABSTRACT. The purpose of this study is to treat the gasification of biomasses which remains the important method of energy valorization in the case of energy transition on the scientific and technologic aspect. As a matter of fact, the different stages of gasification namely: drying, pyrolysis, secondary reaction of pyrolysis, reduction reactions of gasification have been deeply studied theoretically, experimentally and numerically, the final objective being the disposal of a model to predict the molar composition of gasification gases. In the cases of biomasses, the physicochemical characteristics of many agriculture wastes have been determined, the analyses of these data were carried out and the correlations between the results were proposed. For the stage of pyrolysis, the study has permitted to evaluate the amount of various pyrolysis products (gases, water, tar and charcoal) for three different biomasses (wood, coconut shell and straw) at temperatures varying from 400°C to 900°C. From the results, a kinetic model of thermal cracking of tar is proposed for a residence time ranging from zero to 4 seconds. This can be applied to the purification of gasification gases used as a feed gas to a combustion engine, and to contribute to the design of gasifiers. Lastly, from the kinetic models of reduction reactions of gasification, a model for predicting the molar composition of gas mixtures from biomass gasification was proposed. This model is named “Advanced Sequential Model (ASM)” and depends on all the correlations and equations obtained on the different stages of gasification. The results predicted by this model approximate better the experimental results comparatively to existing others models.. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page vii.

(8) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. It permitted to evaluate the optimal output of conversion by varying operable parameters (temperature, residence time, water content, quantity of gasification agent) and to determine the economical feasibility of the process. At last, this “Advanced Sequential Model (ASM)” was an important decision tool.. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page viii.

(9) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. LISTE DES FIGURES Figure 1 : Principe de la gazéification. .....................................................................................................19 Figure 2: Downdraft gasifier [31]. .............................................................................................................24 Figure 3: Schéma du procédé de gazéification à contre-courant [32]. ...................................................26 Figure 4: Principe du procédé de gazéification à co-courant Xylowatt SA, Belgique [50]....................27 Figure 5: Principe du procédé de gazéification à flux mélangés [32]. ...................................................29 Figure 6: Puissances envisageables des installations en fonction du procédé de gazéification [33]......32 Figure 7:Pouvoir calorifique (MJ/kg) en fonction de la teneur en carbone............................................45 Figure 8: Pouvoir calorifique (MJ/kg) en fonction de la teneur en hydrogène.......................................47 Figure 9: Pouvoir Calorifique (kcal/kg) en fonction de la teneur en carbone ........................................49 Figure 10: Dispositif expérimental et ses principaux constituants .........................................................53 Figure 11: Evolution des fractions molaires/massiques des produits de pyrolyse de la paille en fonction de la température. ...................................................................................................................................70 Figure 12:Diagramme d’Arrhenius de la constante apparente de craquage des vapeurs (1er ordre) en fonction de la température ......................................................................................................................86 Figure 13: Cinétique du craquage thermique du goudron ......................................................................92 Figure 14: Organigramme du modèle séquentiel des déchets de bois, des coques de coco et de la paille. ..............................................................................................................................................................108 Figure 15: Evolution des fractions molaires des gaz de gazéification en fonction du temps de séjour à T=600oC ...............................................................................................................................................112 Figure 16: Evolution de quantité de gaz de gazéification produite en fonction du temps de séjour à T=600oC ...............................................................................................................................................113 Figure 17: Evolution des fractions molaires des gaz de gazéification en fonction du temps de séjour à T=800oC ...............................................................................................................................................113 Figure 18: Evolution de quantité de gaz de gazéification produite en fonction du temps de séjour à T=600oC ...............................................................................................................................................114 Figure 19: Evolution du PCI en fonction de la température à ts=0.3s.................................................115 Figure 20:Evolution du PCI en fonction de la température à ts=1.1s..................................................116 Figure 21:Evolution du PCI en fonction de la température à ts=3.1s..................................................116 Figure 22:Evolution du Pouvoir Calorifique Inférieur des gaz de gazéification en fonction du temps de séjour à T=600oC..................................................................................................................................118 Figure 23:Evolution du Pouvoir Calorifique Inférieur des gaz de gazéification ..................................118 Figure 24: Gazogène simple................................................................................................................128 Figure 25: Gazogène DELACOTTE.....................................................................................................129 Figure 26: Gazogène a tirage inversé ...................................................................................................129 Figure 27: Gazogène CEMAGREF......................................................................................................129 Figure 28:Gazogène en suspension.......................................................................................................130 Figure 29:Organigramme du modèle de GUMZ ..................................................................................131 Figure 30:Variation de la composition molaire du gaz, de la composition massique de charbon, d’eau et du mélange gazeux de pyrolyse de déchets bois en fonction de la température...............................142 Figure 31:Variation de la composition molaire du gaz, de la composition massique de charbon, d’eau et du mélange gazeux de pyrolyse des coques de coco en fonction de la température (gaz sec) ..............................................................................................................................................................145. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page ix.

(10) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. LISTE DES TABLEAUX Tableau 1 : Composition chimique de différentes essences de bois[1]. .................................................13 Tableau 2 : Composition élémentaire (% massique) de différentes biomasses [1]. ...............................14 Tableau 3: Constante d’équilibre Kwe pour des températures fixées [31]............................................22 Tableau 4: Performance des technologies de gazéification [33] ............................................................29 Tableau 5:Analyse comparée de différentes technologies de gazéification des résidus [24] ................30 Tableau 6: Résultats des caractéristiques physico-chimiques ...............................................................41 Tableau 7: Résultats des caractéristiques physico-chimiques ................................................................42 Tableau 8: Teneur en composés chimiques............................................................................................42 Tableau 9: Tableau comparatif des résultats ..........................................................................................44 Tableau 10: Erreur d’approximation du PCI en fonction de la teneur en hydrogène .............................46 Tableau 11: Erreur d’approximation du PCI en fonction de la teneur en hydrogène et de la teneur en carbone ...................................................................................................................................................48 Tableau 12: Tableau comparatif des résultats ........................................................................................50 Tableau 13: Compositions élémentaires des échantillons [14]...............................................................55 Tableau 14: RESULTATS EXPERIMENTAUX DE LA COMPOSITION DES GAZ DE LA PYROLYSE DU BOIS ET DES PRODUITS DE DEGRADATION ..................................................57 Tableau 15: RESULTATS EXPERIMENTAUX DE LA COMPOSITION MOLAIRE DES GAZ DE PYROLYSE ET DES PRODUITS DE DEGRADATION DE LA PAILLE.........................................58 Tableau 16: RESULTATS EXPERIMENTAUX DE LA COMPOSITION DES GAZ ET DES PRODUITS DE DECOMPOPSITION DE PYROLYSE DES COQUES DE COCO..........................59 Tableau 17: Coefficients relatifs à la paille ............................................................................................64 Tableau 18: Coefficients relatifs aux coques de coco pour Tє [400o C, 500oC].....................................65 Tableau 19: Coefficients relatifs aux coques de coco pour T ≥ 500 oC...................................................65 Tableau 20: Coefficients relatifs aux déchets de bois pour Tє [400o C, 700oC].....................................66 Tableau 21: Coefficients relatifs aux déchets de bois pour T ≥ 500 oC...................................................67 Tableau 22: Etude comparative des valeurs numériques et expérimentales des produits de pyrolyse des déchets de bois à 8000C...................................................................................................................71 Tableau 23: Formation des goudrons pendant la pyrolyse du bois (MORF) [30]..................................76 Tableau 24: Concentrations en goudrons des gaz produits par différents types de gazogènes (MORF. [30]) ........................................................................................................................................................77 Tableau 25: Impuretés tolérées par quelques appareils ou procédés utilisant le gaz issu de la biomasse (MILNE et al. [29]) ................................................................................................................................80 Tableau 26: Coefficients relatifs à la fonction de production de goudrons ............................................88 Tableau 27:Etude comparative des valeurs numériques et expérimentales des fractions massiques de goudrons de pyrolyse des déchets de bois. .............................................................................................89 Tableau 28: Constantes cinétiques de la conversion de goudron ...........................................................90 Tableau 29: Valeurs des paramètres cinétiques de différents auteurs ....................................................93 Tableau 30: Etude comparative des résultats numériques et expérimentaux de la gazéification de déchets de bois......................................................................................................................................109 Tableau 31: Composition molaire des gaz de gazéification, de la quantité de gaz, du PCI et du rendement. ............................................................................................................................................111 Tableau 32:Composition molaire des gaz de pyrolyse des déchets de bois en fonction du temps de séjour à la température de 500oC..........................................................................................................147 Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page x.

(11) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification Tableau 33:Composition molaire des gaz de pyrolyse des déchets de bois en fonction du temps de séjour à la température de 600oC..........................................................................................................147 Tableau 34:Composition molaire des gaz de pyrolyse des déchets de bois en fonction du temps de séjour à la température de 700oC..........................................................................................................148 Tableau 35:Composition molaire des gaz de pyrolyse des déchets de bois en fonction du temps de séjour à la température de 800oC..........................................................................................................148 Tableau 36:Composition molaire des gaz de pyrolyse des déchets de bois en fonction du temps de séjour à la température de 900oC..........................................................................................................149 Tableau 37:Composition molaire des gaz de gazéification avec craquage thermique des goudrons de pyrolyse à T=6000C pour différents temps de séjour ...........................................................................149 Tableau 38:Composition molaire des gaz de gazéification avec craquage thermique des goudrons de pyrolyse à T=8000C pour différents temps de séjour ...........................................................................150 Tableau 39:Pouvoir Calorifique Inférieur des gaz de gazéification avec craquage thermique des goudrons de pyrolyse à ts=0.3s pour différentes température ..............................................................150 Tableau 40:Pouvoir Calorifique Inférieur des gaz de gazéification avec craquage thermique des goudrons de pyrolyse à ts=1.1s pour différentes température ..............................................................150 Tableau 41:Pouvoir Calorifique Inférieur des gaz de gazéification avec craquage thermique des goudrons de pyrolyse à ts=3.1s pour différentes température ..............................................................151 Tableau 42:Pouvoir Calorifique Inférieur des gaz de gazéification avec craquage thermique des goudrons de pyrolyse à ts=4s pour différentes température .................................................................151 Tableau 43:Pouvoir Calorifique Inférieur des gaz de gazéification avec craquage thermique des goudrons de pyrolyse à T=600oC pour différents temps de séjour.......................................................151 Tableau 44:Pouvoir Calorifique Inférieur des gaz de gazéification avec craquage thermique des goudrons de pyrolyse à T=800oC pour différents temps de séjour.......................................................151. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page xi.

(12) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. TABLE DES MATIERES DEDICACES........................................................................................................................................ III REMERCIEMENTS .......................................................................................................................... IV RESUME............................................................................................................................................... V ABSTRACT .......................................................................................................................................VII LISTE DES FIGURES .......................................................................................................................IX LISTE DES TABLEAUX .................................................................................................................... X TABLE DES MATIERES ................................................................................................................... 1 INTRODUCTION GENERALE.......................................................................................................... 5 CHAPITRE 1 : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE.......................................................................10 INTRODUCTION ............................................................................................................................10 1- CARACTERISTIQUES PHYSICO-CHIMIQUES DE LA BIOMASSE ...................10 1.1-. Teneur en eau (l’humidité)................................................................................................................10. 1.2-. Teneur en cendres .............................................................................................................................12. 1.3-. Composition chimique.......................................................................................................................12. 1.4-. Composition élémentaire...................................................................................................................13. 1.5-Pouvoir calorifique...................................................................................................................................14 1.6- Granulométrie de la biomasse ...............................................................................................................15. 2- DIFFERENTES VOIES DE VALORISATION DE LA BIOMASSE .........................16 2.1-. Voie chimique ....................................................................................................................................16. 2.2-. Voie biologique ..................................................................................................................................17. 2.3-. Voie thermochimique .......................................................................................................................17. 3- ETAPES DE LA GAZEIFICATION, TYPES DE GAZOGENES ET DOMAINES D’UTILISATION .............................................................................................................................18 3.1 Différentes étapes de la gazéification .......................................................................................................18 3.1.1 Composition du gaz synthétique ........................................................................................................... 20 3.1.2- Réactions chimiques ............................................................................................................................. 21 3.2- Différents types de gazogènes ...................................................................................................................23 3.2.1- Différents modèles de gazogènes............................................................................................................. 32 3.2.2- Les gazogènes classiques........................................................................................................................ 32. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 1.

(13) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification 3.2.3- Les gazogènes modernes (récents) ........................................................................................................ 33. 4- ETUDE DES DIFFERENTS MODELES DE PREVISION DE LA COMPOSITION DES GAZ DE GAZEIFICATION ................................................................................................34 4.1- Modèle de GUMZ ...................................................................................................................................35 4.2-. Modèle séquentiel ..........................................................................................................................36. CONCLUSION..................................................................................................................................37 CHAPITRE 2 : CARACTERISATION PHYSICO-CHIMIQUE DE LA BIOMASSE TROPICALE : METHODE ET ANALYSE ...........................................................................................................................38. INTRODUCTION ............................................................................................................................38 1- CHOIX DES BIOMASSES ET DES CARACTÉRISTIQUES PHYSICOCHIMIQUES .....................................................................................................................................39 2- MÉTHODES D’ANALYSE ET RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX..........................40 2.1-. Méthodes d’analyse ...........................................................................................................................40. 2.2Résultats expérimentaux ...................................................................................................................41 2.2.1- Résidus agro-industriels : Déchets 1 ................................................................................................... 41 2.2.2Déchets de cultures : Déchets 2 ..................................................................................................... 41. 3- ANALYSE DES RESULTATS..............................................................................................43 4- RELATION ENTRE POUVOIR CALORIFIQUE ET TENEUR EN CARBONE..44 5- RELATION ENTRE POUVOIR CALORIFIQUE ET TENEUR EN HYDROGENE 46 6- COMPARAISON ENTRE LA TENEUR EN CARBONE ET LA TENEUR EN HYDROGENE ..................................................................................................................................47 7- RELATION ENTRE POUVOIR CALORIFIQUE SUPERIEUR ET TENEUR EN CARBONE .........................................................................................................................................48 CONCLUSION..................................................................................................................................50 CHAPITRE 3 : PREVISION DES PRODUITS DE PYROLYSE DES COQUES DE COCO, DES DECHETS DE BOIS ET DE LA PAILLE. .......................................................52 INTRODUCTION ............................................................................................................................52 1- MATERIELS ET METHODES EXPERIMENTALES ..................................................52 1.1- Montage expérimental ...........................................................................................................................52 1.2-Procédure expérimentale .........................................................................................................................54. 2- RESULTATS ET DISCUTIONS .............................................................................................55 2.1-. Production de gaz ..............................................................................................................................55. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 2.

(14) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification 2.2-. Production de charbon ......................................................................................................................56. 2.3 Production de goudron.............................................................................................................................59. 3- MODELISATION DE LA COMPOSITION MOLAIRE DES GAZ DE PYROLYSE 60 3.1- Modélisation numérique .........................................................................................................................63 3.2- Etude comparative des résultats numériques et expérimentaux des produits de pyrolyse...................71. CONCLUSION..................................................................................................................................72 CHAPITRE 4 : ETUDE EXPERIMENTALE ET ANALYTIQUE DU CRACKING THERMIQUE DU GOUDRON ....................................................................................................73 INTRODUCTION :..........................................................................................................................73 1- GENERALITES SUR LES GOUDRONS ..........................................................................73 1.1 Définition..................................................................................................................................................73 1.2-. Classification et mécanismes de formation.........................................................................................75. 1.3 Production de goudrons ............................................................................................................................76 1.4-. 2. 2.1-. Méthodes de traitement des goudrons ..............................................................................................78. ETUDE DU CRACKING THERMIQUE DES GOUDRONS : ANALYSE CINETIQUE .....79 Point des études sur la conversion thermique du goudron ...............................................................80. 2.2Modélisation numérique du taux de goudrons issus de la pyrolyse des déchets de bois par la méthode de NEWTON .....................................................................................................................................87 2.3 - Modèle cinétique du craquage thermique .............................................................................................89. CONCLUSION..................................................................................................................................94 CHAPITRE 5 : PREVISION DE LA COMPOSITION MOLAIRE DES GAZ DE GAZEIFICATION ...........................................................................................................................95 INTRODUCTION ............................................................................................................................95 1- DESCRIPTION DU « MODELE SEQUENTIEL AVANCE »......................................95 1.1- Principe du modèle séquentiel ................................................................................................................96 1.2- Evaluation de la composition des produits de pyrolyse..........................................................................97 1.3 Réaction de combustion ...........................................................................................................................98 1.4-Réactions de réduction.............................................................................................................................99. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 3.

(15) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. 2- ORGANIGRAMME DU MODELE SEQUENTIEL DES COQUES DE COCO, DE LA PAILLE ET DES DECHETS DE BOIS SANS CRAQUAGE DU GOUDRON ...... 102 3- VALIDATION ET DISCUSSION DU MODELE NUMERIQUE............................. 108 3.1- Validation du modèle ............................................................................................................................110 3.2Influence du temps de séjour de la biomasse sur la composition molaire du gaz de gazéification, le PCI et la quantité de gaz..............................................................................................................................111 3.3-. Influence de la température sur le Pouvoir Calorifique inferieur PCI du gaz de gazéification.....115. 3.4-. Evolution du PCI en fonction du temps de séjour ..........................................................................117. CONCLUSION............................................................................................................................... 119 CONCLUSION GENERALE ..................................................................................................... 120 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES : .............................................................................. 122 ANNEXE 1 ........................................................................................................................................ 127 ANNEXE 2 ........................................................................................................................................ 139 ANNEXE 3 ........................................................................................................................................ 146 ANNEXE4 ......................................................................................................................................... 152. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 4.

(16) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. INTRODUCTION GENERALE. L’énergie est un levier important pour le processus de développement de tout pays et notamment pour les pays en développement. En effet, elle est au cœur du triple défit mondialisation, énergie et environnement et compte pour beaucoup aussi bien, dans la croissance économique des pays, que dans la lutte contre la pauvreté. Elle innerve la mondialisation et tous ses tissus industriels, économiques et sociaux. Le système énergétique actuel se caractérise par une dépendance excessive vis-àvis des énergies fossiles. Le charbon, le pétrole et le gaz naturel entrent pour 85% dans le bilan de la consommation mondiale et par un accès inégal aux services énergétiques modernes. Il se caractérise aussi par une fragilité face à l’avenir car la population mondiale sera à 4 milliards en 2050 et l’épuisement des énergies fossiles est prévu pour la fin du siècle. Ce système se caractérise enfin par des impacts insupportables sur l’environnement notamment les risques de changement climatique dus au recours aux énergies fossiles. En conclusion, on peut affirmer que le système énergétique actuel n’offre pas un développement durable. Face à ce constat, l’Organisation des Etats Unis a lancé depuis 2010 l’initiative Energie Durable pour Tous (Sustainable Energy for All) qui vise, entre autres, l’utilisation accrue des énergies renouvelables. Les pays en développement font de plus en plus face à : -. une facture énergétique contraignante ;. -. la faiblesse de la compétitivité des entreprises de production liée entre autres à l'insuffisance de l'énergie électrique et au coût relativement élevé de l'électricité;. -. l’importance de la consommation de la biomasse énergie. par. rapport aux autres formes d’énergie ;. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 5.

(17) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. - une insuffisance du taux d’électrification aussi bien en milieu urbain que rural ; -. une faible efficacité énergétique entraînant un impact considérable sur l’environnement (déforestation, pollution de l'air, etc.).. Par ailleurs, les derniers développements du marché mondial, notamment la hausse prolongée du prix du baril de pétrole et la crise énergétique viennent accroître les difficultés de ces pays en matière d’approvisionnement énergétique. En effet, ils sont pour la plupart entièrement dépendants de l’extérieur pour la totalité de leur consommation de produits pétroliers. Face à une telle situation, il devient impérieux d’explorer les voies et moyens pour développer, à l’instar des autres pays, les énergies nouvelles et renouvelables. Parmi ces énergies renouvelables, la biomasse figure en bonne position, étant donné sa disponibilité et sa facilité de conversion en énergie utilisable. En effet plusieurs de ces pays sont à vocation agricole et produisent donc des déchets agricoles dont une importante quantité n’est pas valorisée. Dans la plupart des pays en développement, l’agriculture est la base du développement économique, elle occupe en effet plus de 50% de la population et contribue à plus de 70% du produit intérieur brut de ces pays. Elle rejette assez de résidus non utilisés le plus souvent et qui en plus, de par leur accumulation, constitue une source de pollution environnementale responsable du changement climatique. En conséquence, les déchets agricoles constituent donc l’essentiel des déchets de ces pays et sont donc les principales biomasses que nous avons choisies dans le cadre de la présente étude. Les cultures choisies sont celles qui sont communes à ces pays. Il s’agit de : - les déchets de coton (tiges de coton) ; - les déchets de maïs (rafles et tiges de maïs) - les déchets de sorgho (rafles et paille) Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 6.

(18) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. - les déchets de palmier à huile (coques et fibres). Cependant, l’exploitation à des fins énergétiques de ces déchets nécessite la connaissance stricte des caractéristiques physico-chimiques qui vont permettre de connaître les modes de valorisation adaptés pour un rendement optimal de la conversion de la biomasse. Si les pays développés ont fait des études approfondies sur leur biomasse, ceux en développement se sont contentés d’utiliser les données provenant de leur étude, toute chose qui peut diminuer l’efficacité des analyses de conversion. A partir de ces données, les modélisations des différentes réactions de pyrolyse seront proposées et intégrées dans les modèles de gazéification afin de compléter la chaîne de valorisation thermochimique de la biomasse. Ces études devraient permettre d’évaluer la quantité d’énergie mobilisable par cette valorisation et donner des outils techniques aux décideurs pour étudier la faisabilité de ces conversions énergétiques. L’objectif général de la présente étude est de contribuer à la valorisation énergétique de la biomasse en proposant un modèle de prévision de la composition molaire des gaz de gazéification qui permette de déterminer le potentiel énergétique attendu de cette valorisation. De manière spécifique, il s’agira de: - Déterminer les caractéristiques physico-chimiques de certaines biomasses locales ; - Etablir les corrélations entre les caractéristiques et le contenu énergétique de cette biomasse ; - Modéliser les réactions de pyrolyse ; - Modéliser les réactions de gazéification ; - Déterminer la quantité d’énergie récupérable à partir de la gazéification des différentes biomasses. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 7.

(19) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. Le présent mémoire est subdivisé en cinq (05) parties afin de répondre aux objectifs spécifiques assignés : - La première partie est relative à la théorie générale sur la valorisation thermochimique et notamment la gazéification de la biomasse tant en science qu’en technologie du procédé et les différents modèles de prévision proposés par la bibliographie. - La seconde partie est relative à la détermination expérimentale des caractéristiques physico-chimiques des déchets agricoles identifiés de par leur potentiel. Elle débouche sur la proposition d’équations reliant ces caractéristiques au pouvoir calorifique de la biomasse. - La troisième partie renseigne sur les proportions massiques des produits de décomposition thermique de la biomasse à savoir, le gaz, l’eau, le charbon et les pyroligneux. Un modèle numérique fonction de la température est proposé à cet effet. - La quatrième partie fait le point sur les réactions secondaires de pyrolyse, à savoir l’évolution des pyroligneux en fonction de la température du gazogène et du temps de séjour des gaz. Un modèle décrivant le craquage thermique des goudrons est proposé. - La dernière partie propose un modèle de prévision de la composition molaire des gaz de gazéification afin de calculer le potentiel énergétique attendu en fonction des paramètres d’opération. Cette partie s’appuie sur les résultats des parties précédentes.. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 8.

(20) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. Le modèle proposé est issu des résultats expérimentaux et simule mieux la composition molaire des gaz que les différents modèles proposés dans la littérature. Il s’applique à toute biomasse végétale et donne des renseignements nécessaires sur la faisabilité de ces opérations de valorisation de la biomasse. Il permet de disposer des résultats proches des résultats expérimentaux à l’inverse des modèles jusqu’ici proposés comme le modèle de GUMZ avec peu de données comme le modèle séquentiel initial.. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 9.

(21) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. CHAPITRE 1 : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE Introduction La gazéification est un procédé relativement complexe qui comporte les étapes suivantes : le séchage - la pyrolyse - la réduction - la combustion. Elle consiste en une oxydation incomplète des matériaux lignocellulosiques afin de produire un mé1ange gazeux contenant principalement du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, de l'hydrogène et du méthane. Elle nécessite, à cet effet, de la matière première telle la biomasse dont il urge de connaitre les caractéristiques physicochimiques déterminantes dans le choix de leur valorisation. Ce chapitre donne la lumière sur la généralité du processus de la gazéification. 1- Caractéristiques physico-chimiques de la biomasse La caractérisation physico-chimique des résidus est essentielle, car elle permet d’apprécier les différents constituants et surtout leur contenu énergétique. Enfin, elle est à la base du choix de la meilleure voie de valorisation énergétique de ces déchets. Au nombre des caractéristiques, nous pouvons citer : -. l’humidité ;. -. la teneur en cendres ;. -. la composition chimique ;. -. l’analyse élémentaire ;. -. le pouvoir calorifique ;. -. la granulométrie ;. 1.1- Teneur en eau (l’humidité) L’humidité est définie comme l’eau libre (eau non combinée) qui s’élimine quand le produit est chauffé à l’étuve à une température de 100°C à 110°C. En effet, la matière organique est généralement humide : ceci permet de distinguer. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 10.

(22) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. la matière sèche qui est la masse de la matière organique considérée, l’humidité étant exclue. La biomasse se caractérise par une teneur en eau, ou humidité, importante et extrêmement variable dans le temps. La teneur en eau dans la biomasse s’étend de 10% à 90%. On distingue généralement deux types d’humidité :  Humidité sur brut (H): il s’agit du rapport entre la masse d’eau contenue dans la biomasse et la masse totale de la biomasse ;  Humidité sur sec (h): il s’agit du rapport entre la masse d’eau contenue dans la biomasse et la masse sèche de la biomasse. Elle se détermine à partir des expériences effectuées à l’étuve. La biomasse brute est d’abord pesée et est ensuite portée à une température de 110°C pendant 24h. La biomasse déshydratée est enfin pesée. L’humidité sur brut (en pourcentage) est alors donnée par la formule : =. ∗. ( ). =. ∗. ( ). L’humidité sur sec se calcule par la formule ci-après :. Il existe une correspondance entre l’humidité sur sec et l’humidité sur brut qui est : =. ∗. ( ). Le séchage de la biomasse est une étape coûteuse, en termes à la fois d'investissement mais aussi de coût de fonctionnement. Lors des réactions de conversion, au-delà des aspects purement énergétiques liés au séchage, la présence d'eau dans le combustible présente deux inconvénients principaux : Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 11.

(23) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. limitation des transferts de chaleur dans le solide et présence de vapeur d'eau ou de condensats (selon le niveau de température dans la phase gazeuse) dans les produits obtenus. Il faut préciser que la pyrolyse et la gazéification nécessitent des humidités ne dépassant généralement pas 25% sur brut [16]. 1.2- Teneur en cendres Les cendres (incombustibles) sont des éléments minéraux qui, ensemble avec la matière organique, constituent la matière sèche. Le taux de cendres représente la masse de résidu après combustion totale rapportée à la masse initiale de matière. Il s'agit de chauffer dans un four à moufle une masse de 1 à 2 g de matière d'une granulométrie inférieure à 200 µm, avec une vitesse de chauffe comprise entre 4 et 5 K/min. L'échantillon doit séjourner 3 heures à la température finale de 950°C. La mesure de la perte de masse totale permet de déterminer le taux de cendres de la matière. En conclusion, à partir d’une certaine quantité de biomasse, on peut distinguer : - La masse humide ou brute - La masse sèche, humidité déduite - La masse organique, humidité et cendres déduites. Pour éviter la formation de mâchefers dans le gazogène, les matières minérales contenues dans le combustible doivent avoir une température de fusion élevée et /ou être en concentration limitée. 1.3- Composition chimique Elle renseigne sur les principaux constituants de la matière à savoir la cellulose, la lignine et les hémicelluloses.. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 12.

(24) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. Les celluloses correspondent à des molécules complexes articulées sur la répétition du noyau C6H9O4, alors que la lignine est articulée sur un noyau plus complexe C9H10O3(OCH)13, les hémicelluloses possèdent des molécules dérivant de celles de la cellulose, mais un peu plus complexes. Elles s’insèrent comme un véritable ciment entre les fibres des celluloses. Le tableau ci-dessous donne la composition chimique de quelques essences de bois [1]. Tableau 1 : Composition chimique de différentes essences de bois[1]. Essence. Cellulose (%). Hémicellulose. Lignine. Hêtre. 42. 36. 22. Tremble. 53. 31. 16. Pin. 41. 30. 29. Sapin. 44. 29. 27. Moyenne feuillus. bois 45. 34. 21. Moyenne résineux. bois 43. 28. 29. A partir de la composition élémentaire, on peut conclure sur la faisabilité de la voie de valorisation énergétique possible pour ces déchets. 1.4- Composition élémentaire La composition élémentaire de la biomasse consiste à déterminer la teneur massique des éléments de la biomasse. La biomasse est principalement composée de carbone (C), d'oxygène (O), d'hydrogène (H) mais également d'azote (N), de soufre (S) et de matières minérales (MM) appelées cendres [14].. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 13.

(25) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. Elle permet de connaitre la formule chimique développée de la matière qui nous permettra d’effectuer les bilans nécessaires pour les procédés de valorisation de la biomasse retenus. Le tableau 2 récapitule la composition élémentaire de différentes biomasses. Tableau 2 : Composition élémentaire (% massique) de différentes biomasses [1]. Biomasse Pin Noyer Erable Peuplier Bagasse Balle de riz Paille de riz Déchets urbains. Carbone 52.3 49.7 50.6 51.6 47.3 38.5. Hydrogène 6.3 6.5 6 6.3 6.1 5.7. oxygène 40.5 43.1 41.7 41.4 35.3 39.8. azote 0.1 0 0.2 0 0 0.5. soufre 0 0 0 0 0 0. Cendres 0.8 0.7 1.4 0.6 11.3 15.5. 38.2. 5.1. 35.8. 0.6. 0.1. 20.2. 32.9. 6.2. 50.2. 0.4. 0.2. 10.1. 1.5-Pouvoir calorifique Le pouvoir calorifique est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète de l’unité de masse (kg) ou de volume (Nm3) de matière selon qu’elle est solide/liquide ou gazeuse. On distingue le pouvoir calorifique inférieur (PCI) et le pouvoir calorifique supérieur (PCS). Dans la détermination du PCS, on tient compte de la chaleur libérée par la condensation de la vapeur d’eau. Le PCI est le PCS duquel est retirée la quantité de chaleur correspondant à la condensation de vapeur d’eau fournie lors de la combustion. = − ( ) Dans la pratique, généralement quand il s’agit de la combustion, on ne bénéficie pas de la chaleur apportée par la condensation de la vapeur d’eau et on utilise surtout le PCI. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 14.

(26) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. Le pouvoir calorifique de la matière solide s’exprime en J/kg (unité internationale) ou kcal/kg. Pour déterminer le PCI, on peut, soit utiliser un appareil (bombe calorimétrique) qui mesure la chaleur libérée par une quantité précise de matière, soit le calculer directement à partir de la composition chimique (teneurs en carbone, hydrogène et oxygène) par exemple, par la formule : =. ,. +. ,. −. ,. [45]. ( ). Il faut noter que la chaleur dégagée lors d’une réaction de combustion de biomasse provient essentiellement des réactions d’oxydation des particules de carbone fixe présentes au sein de cette biomasse. Par conséquent, plus la teneur en carbone sera élevée pour une biomasse, plus cette dernière aura un PCI élevé. Le PCI d’une biomasse est également fortement influencé par sa teneur en humidité et sa teneur en cendres. Quand on introduit une biomasse humide dans un four, cela contribue généralement à abaisser la température interne du four, abaissement qui fait suite à l’absorption par la biomasse de la chaleur nécessaire à son séchage (étape préalable à sa combustion). Au final, le bilan énergétique veut que cette énergie absorbée lors de son séchage soit retranchée à l’énergie dégagée lors de sa combustion, ce qui entraine une diminution du PCI. Les biomasses à forte teneur en cendres auront généralement des teneurs en carbone fixe faibles, ce qui impacte défavorablement sur leur PCI. 1.6- Granulométrie de la biomasse Par définition, la granulométrie représente la répartition en classes des tailles des particules composant un combustible. Elle peut être déterminée par tamisage. La granulométrie influence directement le design des systèmes d’alimentation (convoyeurs) des réacteurs : vis sans fin, tapis roulants, wagonnets.. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 15.

(27) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. Le principe de l’analyse granulométrique consiste à faire passer, à travers des tamis à mailles, la biomasse à caractériser afin de pouvoir déterminer la masse comprise entre deux dimensions correspondant aux bornes des classes de distribution. Au cours des procédés thermochimiques (combustion, pyrolyse ou gazéification), il est important de contrôler la taille des particules des biomasses car celle-ci influence directement les transferts thermiques (chaleur au sein de la biomasse) et les transferts de masse (diffusion de matières volatiles dans la biomasse). Afin d’optimiser le transfert de chaleur dans la biomasse, de même que le transfert de masse, la granulométrie est typiquement comprise entre 10 mm et 100 mm. Elle sera broyée si ses dimensions sont supérieures (branches, tiges) ou densifiée si elle se présente sous forme de sciure. Les balles de riz et les coques de noix d’acajou ont bien une granulométrie comprise entre 10 mm et 100 mm. 2- Différentes voies de valorisation de la biomasse Les principales filières de valorisation énergétique potentielles de la biomasse sont : - La voie chimique - La voie biologique - La voie thermochimique 2.1- Voie chimique Elle correspond à une valorisation de la biomasse à partir des réactions chimiques spécifiques. Cependant, tout processus de décomposition de la biomasse met en jeu des réactions chimiques, mais celle qui correspond exclusivement à la voie chimique est la liquéfaction. La liquéfaction est définie comme une transformation de la biomasse, notamment la substance carbonée en une huile dont les propriétés physicochimiques lui confèrent une stabilité. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 16.

(28) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. Cette transformation est facilitée par des catalyseurs chimiques appropriés. L’huile ainsi produite peut être utilisée comme combustible et matière première de synthèse de produits chimiques. 2.2- Voie biologique Elle est définie comme une décomposition de la biomasse sous l’effet de microorganismes en vue de produire différents vecteurs d’énergie (gaz, alcool.). Le procédé le plus représentatif de cette voie reste la digestion ou fermentation méthanique. Elle vise la production d’un mélange gazeux (biogaz) contenant principalement du méthane. 2.3-. Voie thermochimique. Elle est définie comme la décomposition de la biomasse sous l’effet de la chaleur en présence ou pas d’oxygène. Elle vise la production, selon le processus, d’un mélange gazeux combustible, d’une structure carbonée ou d’une importante quantité de chaleur. La conversion thermochimique repose sur trois processus : - La pyrolyse qui est une décomposition de la biomasse en absence d’atmosphère oxygéné. Elle vise la production de charbon, de pyroligneux, et de gaz incondensables. - La combustion qui est une décomposition de la biomasse en présence d’oxygène en quantité stœchiométrique au moins. Elle vise la production d’une quantité de chaleur. - La gazéification qui est une oxydation incomplète de la biomasse afin de produire un mélange gazeux combustible contenant principalement du dioxyde de carbone, monoxyde de carbone, hydrogène, méthane et hydrocarbures supérieurs.. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 17.

(29) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. La voie thermochimique est de loin la voie la plus utilisée pour la valorisation de la biomasse (environ 95%). 3- Etapes de la gazéification, types de gazogènes et domaines d’utilisation 3.1 Différentes étapes de la gazéification La gazéification est la dégradation thermique de la biomasse en présence d’un agent oxydant (air, oxygène pur, vapeur d’eau, etc..). Elle est basée sur le principe de conversion thermochimique de la biomasse en gaz combustible, qui peut être utilisé par la suite dans un moteur à combustion interne, dans une pile à combustible, dans un four ou une turbine pour produire de la chaleur et/ou de l’électricité. Ce procédé est relativement propre, car dégageant peu de toxines et d’oxydes d’azote NOx. Il est tout à fait possible de gazéifier les matières telles que le charbon, le coke de pétrole, les pétroles lourds, les déchets chimiques, la biomasse et les déchets solides municipaux. Dans ce processus de gazéification à température élevée, ces carburants réagissent avec l’oxygène sous haute pression et produisent un gaz synthétique épuré servant à la production d’électricité à haut rendement. Et le mélange gazeux obtenu contient principalement les gaz suivants : CO, CO2, CH4, H2Ogaz, H2 … La réaction principale de la gazéification est la suivante : Cx Hy Oz Nt + X1 O2 → α1CO + α2CO2 + α3H2 + α4H2 O+ α5CH4 + α6N2 Avec : Cx Hy Oz Nt : Molécule désignant la biomasse. X1 : Coefficient stœchiométrique de l’agent gazéifiant. αi: Coefficients stœchiométriques des différents gaz produits. On distingue principalement deux modes opératoires :. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 18.

(30) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification.  La gazéification à l’air, permettant la production d’un gaz dit pauvre à cause de la proportion importante d’azote dans le mélange gazeux ;  La gazéification à l’oxygène, qui permet la production d’un. gaz. riche. destiné à la synthèse de produits chimiques. Nous pouvons schématiser le principe de la gazéification comme suit :. Figure 1 : Principe de la gazéification. [2] Le séchage : la phase de séchage permet de vaporiser l’humidité contenue dans la biomasse. Un séchage préalable peut être nécessaire si le taux d’humidité est supérieur à 25% conformément à l’étude de PITTALUGA [16]: Biomasse humide + chaleur → biomasse sèche + H2 O (vapeur). [3] La pyrolyse de la biomasse est une décomposition thermique irréversible sous la seule action de la chaleur, en l’absence d’oxygène ou sous une atmosphère pauvre en oxygène (6/82). La réaction de pyrolyse est la suivante : Biomasse sèche → coke, CO, CO, H2, H2 O(g), CH4, goudrons, Réalisé par FAGBEMI A. Latif. cendres. Page 19.

(31) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. [4] La combustion, c’est une réaction chimique exothermique. Elle se produit au fur et à mesure que les. produits volatiles réagissent avec. l’oxygène. Elle forme alors du dioxyde de carbone et parfois du monoxyde de carbone s’il s’agit d’une réaction incomplète : C + O2 →CO2 [5] La gazéification, c’est une réaction endothermique hétérogène entre le carbone contenu dans la biomasse et un gaz réactant. Ce gaz réactant peut être soit de la vapeur d’eau (H2O) soit du dioxyde de carbone (CO2). Les réactions sont : C + H2O → CO + H2. et. C + CO2 → 2CO. Cette réaction fournira au gaz les deux composants principaux (CO et H2) qui lui confèrent un bon pouvoir calorifique. Il faut noter que le déroulement et la configuration spatiale et temporelle des différentes. étapes de. gazéification. mode d’introduction de. peuvent. différer. selon le. la. la biomasse, la quantité de l’agent gazéifiant et le type de gazogène et les paramètres opératoires. 3.1.1 Composition du gaz synthétique La biomasse utilisée dans les gazéificateurs est essentiellement composée de carbone, d’hydrogène et d’oxygène. Le but de la gazéification est de casser les chaînes carbonées contenues dans la biomasse afin d’obtenir des fumées avec des éléments combustibles tels que le monoxyde de. carbone. [CO],. le. dihydrogène [H2] mais aussi des hydrocarbures comme le méthane [CH4].. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 20.

(32) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. Cette mélange gazeux peut alors être utilisé comme carburant dans des moteurs à combustion. interne. Le mélange gazeux contient aussi du dioxyde. de carbone [CO2], de l’eau [H2O] sous forme gazeuse, des goudrons et de l’azote [N2] (dans le cas d’une gazéification à l’air, car l’air est composé d’environ 79% d’azote et de 21% de dioxygène). Il est bon de noter que la présence d’éléments inertes comme l’azote ou l’eau dans les fumées peut réduire la capacité calorifique du gaz. Le potentiel énergétique du gaz de synthèse se trouve réduit par le fait que des éléments peu énergétiques se retrouvent. dans les gaz:. la présence de. ces éléments diminue la concentration des éléments « énergétiques », le pouvoir calorifique du gaz s’en retrouve donc diminué. 3.1.2- Réactions chimiques Il s’agit principalement des réactions de réduction et d’oxydation, l’une se déroulant durant le procédé de gazéification dans un gazogène et l’autre dans les moteurs devant utiliser le gaz synthétique comme carburant.  Réactions de réduction : Nous avons vu que les principaux composants combustibles contenus dans le mélange gazeux produit étaient le monoxyde de carbone, le dihydrogène et le méthane. Les réactions qui engendrent ces éléments se situent dans la partie réductrice du gazéificateur et sont les suivantes : la réaction de BOUDOUARD et la réaction de gaz à l’eau. Les équations de réaction sont : C + CO2 →2CO ; pour +164,9kJ / kmol (réaction de BOUDOUARD). CO2 + H2 →CO + H2O ; pour +42,3kJ / kmol (réaction de gaz-eau). Nous pouvons voir grâce à ces équations, que les phases de réduction nécessitent. de l’énergie (réaction endothermique).. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 21.

(33) Caractérisation physico-chimique de la biomasse tropicale : application à la modélisation des réactions de pyrolyse et de gazéification. Cela explique. alors pourquoi la température décroît durant cette phase.. De plus la réaction CO2 + H2 → CO + H2O, tend à équilibrer les concentrations en CO, H2O, CO2 et H2. Elle est appelée le « gaz water shift reaction » (la réaction gaz - eau). En théorie, pour chaque température, les concentrations de CO, H2O, CO2 et H2 sont données par la constante d’équilibre KWE de la réaction. =. [. [. ]×[. ]×[. ]. ]. ( ). En pratique, en dessous de 700°C, cette réaction est figée, car elle se produit. seulement lorsque le taux et le temps de réaction sont suffisants. En effet, le taux de réaction diminue avec la décroissance de la température et en dessous d’une température de 700°C, le taux de réaction devient trop faible et la réaction se fige. Le tableau 3 montre quelques valeurs de la constante d’équilibre Kwe pour des températures fixées. Tableau 3: Constante d’équilibre Kwe pour des températures fixées [31].. Réalisé par FAGBEMI A. Latif. Page 22.