Biomass gasification under high solar heat flux

par Victor Pozzobon

Thèse de doctorat en Génie des Procédés et de l'Environnement

Sous la direction de Sylvain Salvador et de Jean-Jacques Bézian.

Soutenue le 17-11-2015

à l'Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux , dans le cadre de École Doctorale Mécanique, Énergétique, Génie civil et Procédés (Toulouse) , en partenariat avec Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (laboratoire) et de Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Gazéification de biomasse sous haute densité de flux solaire


  • Résumé

    L'énergie solaire concentrée est une source d'énergie alternative pour la conversion thermochimique de biomasse en vecteurs énergétiques ou en matériaux à haute valeur ajoutée. La production d'un gaz de synthèse à partir de biomasse lignocellulosique en est un exemple, de même que la production de résidus carbonés à propriétés contrôlées. Ces travaux portent sur l'étude du comportement d'un échantillon de hêtre thermiquement épais sous de hautes densités de flux solaire (supérieures à 1000 kW/m²). Deux approches ont été développées en parallèles : une étude expérimentale et le développement d'un modèle numérique. Les expériences ont permis de mettre en lumière le comportement particulier du hêtre sous de hautes densités de flux solaire. En effet, un cratère de char, dont la forme correspond à celle de la distribution du flux incident, se forme dans l'échantillon. Cette étude a aussi montré que la teneur en eau initiale de la biomasse a un fort impact sur son comportement. Les échantillons secs peuvent atteindre un rendement de conversion énergétique de 90 %, capturant jusqu'à 72 % de l'énergie solaire incidente sous forme chimique. Quant aux échantillons humides, ils produisent nettement plus d'hydrogène, au prix d'un rendement de conversion énergétique aux alentours de 59 %. De plus, le craquage thermique et le reformage des goudrons produits par la pyrolyse sont rendus possibles par les températures atteintes (supérieures à 1200 °C) et la présence d'eau. Enfin, il a été montré que l'orientation des fibres du bois n'a qu'un impact mineur sur son comportement. En parallèle, une modélisation des transferts couplés chaleur matière et des réactions chimiques mis en jeu lors de la gazéification solaire d'un échantillon a été développée. La construction du modèle a mis en avant la nécessité de recourir à des stratégies innovantes pour prendre en compte la pénétration du rayonnement dans la matière ainsi que la déformation du milieu par la gazéification. Les prédictions du modèle montrent un bon accord avec les observations expérimentales. Elles ont ainsi permis de mieux comprendre les couplages mis en jeu lors de la dégradation de biomasse sous haute densité de flux solaire. De plus, des analyses de sensibilités ont révélé que les modèles de type Arrhenius ne permettent pas de décrire finement le comportement de l'eau à l'intérieur de l'échantillon et que le choix du modèle de pyrolyse était capital pour décrire correctement le comportement la biomasse sous haute densité de flux solaire.


  • Résumé

    Concentrated solar energy is as an alternative energy source to power the thermochemical conversion of biomass into energy or materials with high added value. Production of syngas from lignocellulosic biomass is an example, as well as the production of carbonaceous residues with controlled properties. This work focuses on the study of the behaviour of a thermally thick beech wood sample under high solar heat flux (higher than 1000 kW/m²). Two approaches have been undertaken at the same time: an experimental study and the development of a numerical model. Experiments have highlighted a specific behaviour of beech wood under high solar heat flux. Indeed, a char crater, symmetrical to the incident heat flux distribution, forms in the sample. This study has also shown that biomass initial moisture content has a strong impact on its behaviour. The dry sample can achieve an energetic conversion efficiency of 90 %, capturing up to 72 % of the incident solar power in chemical form. While, high initial moisture content samples produce more hydrogen, at the price of an energetic conversion efficiency around 59 %. Furthermore, tar thermal cracking and steam reforming are enabled by the temperatures reached (higher than 1200 °C) and the presence of water. Finally, wood fiber orientation has been shown to have only a minor impact on its behaviour. At the same time, a modelling of the coupled reactions, heat and mass transfers at stake during solar gasification was undertaken. The development of this model has highlighted the necessity to implement innovative strategies to take into account radiation penetration into the medium as well as its deformation by gasification. Numerical model predictions are in good agreement with experimental observations. Based on the model predicted behaviour, further understanding of biomass behaviour under high solar heat flux was derived. In addition, sensitivity analyses revealed that Arrhenius type models are not fitted for precise intra-particular water behaviour description and that the choice of the pyrolysis scheme is key to properly model biomass behaviour under high solar heat flux.


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  • Détails : 1 vol. (XII-176 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.155-170

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : P130-POZ
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