Gazéification du charbon de plaquettes forestières : particule isolée et lit fixe continu
par Jean-Philippe Tagutchou
Thèse de doctorat en Environnement, Énergétique et Génie des Procédés
Sous la direction de Sylvain Salvador.
Soutenue en 2008
à Perpignan , dans le cadre de École doctorale Énergie environnement (Perpignan) .
mots clés-
Résumé
La gazéification de la biomasse se positionne aujourd'hui comme une filière pertinente pour la production d'énergie de type électricité, gaz naturel de synthèse ou encore biocarburants. Les mécanismes mis en jeu dans ce procédé restent aujourd'hui encore mal connus. Dans les procédés à lit étagé, la zone de gazéification du résidu carboné conditionne significativement les rendements énergétiques et la qualité des gaz produits. Cette thèse vise à améliorer la compréhension de cette zone réactionnelle afin d'optimiser la conception et le fonctionnement de ces réacteurs. La gazéification d'un charbon de plaquettes forestières a été caractérisée à l'échelle de la particule isolée, puis à l'échelle du lit fixe continu. Nous avons mesuré les vitesses de gazéification de particules de différentes tailles et sous plusieurs atmosphères, au moyen d'un réacteur de type "macro-ATG". Entre 800 et 1000°C, l'épaisseur de la particule est la dimension caractéristique ; la réaction de gazéification est environ trois fois plus rapide en présence de vapeur d'eau qu'elle ne l'est avec du dioxyde de carbone. Les résultats de l'étude paramétrique, confrontés à ceux du modèle numérique, nous ont permis de déterminer les paramètres cinétiques intrinsèques des réactions chimiques. En parallèle, notre modèle numérique a été affiné afin de prendre en compte l'évolution complexe de la réactivité du carbone avec le taux de conversion. Ainsi, la notion de "fonction de surface", relative aux sites actifs, a été introduite. Un nouveau modèle cinétique a été proposé pour répondre au cas d'une atmosphère mixte. La gazéification d'un lit fixe continu a été étudiée au moyen d'un dispositif pilote original. L'instrumentation fine a permis d'établir des profils de température, concentration de gaz, conversion du char, pression et porosité du lit. Nous avons identifié les zones réactionnelles et déterminé l'importance relative des différentes réactions
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Titre traduit
Gasification of charcoal from forestry wood chips : single particle and continuous fixed bed
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Résumé
Biomass gasification is considered today as a promising route for energy production, such as electricity, natural gas or synthetic biofuels. Mechanisms involved in such processes are very complex and need further understanding. In staged processes, the zone of gasification of carbon residue impacts significantly the energy efficiency and the quality of gas produced. This thesis improves the understanding of this reaction zone in order to optimize the design and the operation of reactors. The gasification of char from forestry woodchips has been precisely characterised in the case of both a single particle and a continuous fixed bed. We have measured the gasification kinetic of particles of different sizes and in various atmospheres using a "macro-ATG" type reactor. We noticed that between 800 and 1000 °C, the thickness of the particle is the characteristic dimension; the reaction of gasification is about three times faster in the presence of steam than it is with carbon dioxide. The results of the parametric study confronted with those of our numerical model, enabled us to identify the intrinsic kinetic constants of chemical reactions. In parallel, we modified our numerical model to take into account the complex evolution of carbon reactivity. Thus, we added the concept of "structural factor" relative to active sites. This allowed us to propose a new kinetic model in the case of a mixed atmosphere of CO2 and H2O. Furthermore, we studied the gasification of a continuous fixed bed experimentally using an original reactor, the CFiBR (Continuous Fixed Bed Reactor). Injection of superheated steam and a more elaborated instrumentation enabled us to determine profiles of temperature, concentration of gaseous species, char conversion, pressure and porosity of the bed. We have identified reactions zones within the bed and determined the relative importance of different reactions on the conversion of carbon, the production of synthesis gas and energy consumption
