Modélisation de la cinétique de gazéification étagée de la biomasse tropicale : cas des balles de riz et des rafles de maïs

Modeling of the staged gasification kinetic of tropical biomass : case of rice husks and corn cobs

• Auteur / Autrice : Gildas David Farid Adamon
• Direction : Emile A. Sanya, Ammar Bensakhria
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés Industriels et développement durable : Transformations intégrées de la matière renouvelable (EA 4297)
• Date : Soutenance le 12/05/2017
• Etablissement(s) : Compiègne en cotutelle avec Université d'Abomey-Calavi (Bénin)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maïs

Riz -- Balle

Déchets agricoles

Charbon

Newton, Méthode de

Thermogravimétrie

Activation (chimie)

Réacteurs à lit fixe

Réactivité (chimie)

Pyrolyse

Cinétique chimique

Biomasse -- Conversion

Biomasse -- Gazéification

Biomasse

Mots clés libres

Résidus agricoles

Taux de conversion

Charbon

Cinétique

Modèle

Réactivité

Vapogazéification

Agricultural residues

Conversion rate

Char

Kinetics

Model

Reactivity

Résumé

Les essais de gazéification effectués dans le cadre de cette étude ont été réalisés à l’aide d’une installation instrumentée et équipée d’un réacteur à lit fixe en utilisant du dioxyde de carbone d’une part, et de la vapeur d’eau d’autre part, comme réactifs. Dans cette étude, nous avons considéré le procédé de gazéification étagée. Par ailleurs, l’étude concernant la disponibilité de la ressource, effectuée sur dix ans, nous a permis de sélectionner deux résidus agricoles, en tenant compte de leur disponibilité dans le temps, l’absence de conflit nutritionnel ainsi que de leurs caractéristiques physicochimiques... A l’issue de cette étude, deux résidus agricoles ont été sélectionnés : les balles de riz et les rafles de maïs. L’étude de la pyrolyse de ces deux biomasses a été effectuée dans un four à moufle à une température de 450 °C pour un temps de séjour de 45 minutes. Un modèle mathématique basé sur la méthode de Newton a été proposé pour estimer le rendement en cokes des balles de riz et des rafles de maïs en fonction de la température, pour un temps de séjour fixé. Nous avons également procédé à une caractérisation physicochimique de ces deux résidus agricoles ainsi que de leurs cokes de pyrolyse. Plusieurs essais de pyrolyse ont également été réalisés en ATG afin de déterminer l’ordre réel des réactions de décomposition, par pyrolyse, de ces deux biomasses, en fonction de la température. Pour les essais de gazéification, ils ont été réalisés sur le coke de pyrolyse des deux biomasses retenues, à l’aide d’une installation équipée d’un réacteur à lit fixe d’une part, ainsi que par analyse thermogravimétrique d’autre part. Plusieurs modèles cinétiques (VRM, SCM et RPM) ont été utilisés pour modéliser la cinétique de gazéification des balles de riz et des rafles de maïs avec du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau. Il ressort que le modèle RPM est le plus adapté des trois modèles étudiés pour simuler au mieux la gazéification du charbon de balles de riz et de rafles de maïs dans les conditions opératoires étudiées dans la présente étude. Ainsi, les énergies d’activation obtenues sont respectivement de 165,8 kJ/mol et de 152,9 kJ/mol avec le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau pour les balles de riz pendant que le facteur exponentiel varie de 2595.4 s-1 à 3473.4 s-1 avec des valeurs respectives du paramètre structural Ψ=3,8 pour la réaction de Boudouard et Ψ= 2.16 pour la vapogazéification. Cependant, les énergies d’activation obtenues pour les rafles de maïs sont respectivement de 114,4 kJ/mol et de 105,5 kJ/mol avec le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau pendant que le facteur exponentiel varie de 13,9 s-1 à 18,3 s-1avec des valeurs respectives du paramètre structural Ψ=12,3 pour la réaction de Boudouard et Ψ= 8,68 pour la vapogazéification.

The gasification tests in this study were carried out using an instrumented installation equipped with a fixed bed reactor using carbon dioxide and water steam, as reagents. In this study, we considered the stepped gasification process. In addition, the ten-year resource availability study allowed us to select two agricultural residues, taking into account their availability over time, the absence of nutritional conflict and their physicochemical characteristics… At the end of this study, two agricultural residues were selected: rice husks and corn cobs. The pyrolysis of these two biomasses was carried out in a muffle furnace at a temperature of 450 °C for a residence time of 45 minutes. A mathematical model based on the Newton method has been proposed to estimate the coke yield of rice husk and corn cobs as a function of temperature, for a fixed residence time. We also carried out a physicochemical characterization of these two agricultural residues as well as their pyrolysis cokes. Several pyrolysis tests have also been carried out in ATG in order to determine the real order of the decomposition reactions by pyrolysis, of these two biomasses, as a function of temperature. For the gasification tests, they were carried out on the pyrolysis coke of the two retained biomasses, using an installation equipped with a fixed-bed reactor on the one hand, and by thermogravimetric analysis of another hand. Several kinetic models (VRM, SCM and RPM) were used to model the gasification reaction kinetics of rice husk and corn cobs with carbon dioxide and water steam. It appears that the RPM model is the most suitable of the three models studied to best simulate the gasification reaction of char from rice husk and corn cobs under the operating conditions studied in this study. Thus, the activation energies obtained are respectively 165.8 kJ/mol and 152.9 kJ/mol with carbon dioxide and water steam for rice husk while the exponential factor varies from 2595.4 s-1 to 3473.4 s-1 with respective values of the structural parameter Ψ = 3.8 for the Boudouard reaction and Ψ = 2.16 for the water steam gasification. However, the activation energies obtained for corn cobs are 114.4 kJ/mol and 105.5kJ/mol respectively with carbon dioxide and water steam while the exponential factor varies from 13.9 s-1 to 18.3 s-1 with respective values of the structural parameter Ψ = 12.3 for the Boudouard reaction and Ψ = 8.68 for the water steam gasification.