Gazéification de la biomasse en lit fluidisé bouillonnant : interactions à haute température entre les composés inorganiques et les matériaux granulaires

Biomass gasification in bubbling fluidized bed : high temperature interaction between inorganic compounds and granular materials

• Auteur / Autrice : Judit Kaknics
• Direction : Jacques Poirier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 03/10/2014
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Salvador
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Poirier, Sylvain Salvador, Karine Froment, Yann Rogaume, Olivier Authier, André Ayral, Jean-André Alary
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karine Froment, Yann Rogaume

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermochimie

Agglomération

Combustion en lit fluidisé

Biomasse -- Gazéification

Graminées

Mots clés libres

Miscanthus

Gazéification

Lit fluidisé

Agglomeration

Calculs thermodynamiques

Miscanthus

Gasification

Fluidized bed

Agglomeration

Thermodynamic calculation

Résumé

Ce travail traite du rôle des interactions entre les composés inorganiques (cendres) et les matériaux du lit pendant la gazéification de miscanthus en lit fluidisé. Les objectifs étaient :-1) de décrire la transformation des inorganiques à haute température ; -2) de comprendre leur rôle dans l’agglomération ; et -3) de proposer des recommandations. Les principaux éléments inorganiques présents dans le miscanthus sont K, Si Ca, Mg, P, S et Cl. Les cendres sont constituées de silice, de carbonates et de sels. Les carbonates et les sels se décomposent et se volatilisent à 700 °C. Les Ca et Mg silicates sont les phases solides majoritaires à haute température. La phase liquide est constituée de SiO2, K2O, CaO et MgO quel que soit la nature de l’atmosphère. Les résultats expérimentaux ont été comparés aux calculs thermodynamiques. Il apparait que les bases de données FToxid et FTsalt peuvent être utilisées pour prévoir les tendances des transformations de phases en température. Les interactions entre les cendres et les matériaux du lit ont été étudiées en conditions statiques et dynamiques. Les conclusions sont les suivantes : -1) la mouillabilité des cendres sur les matériaux du lit est un paramètre clé dans l’agglomération ; -2) l’adhésion augmente dans l’ordre suivant : silice → olivine → olivine calcinée ; -3) il y a peu de différences en atmosphère oxydante ou réductrice -4) la présence de deux liquides immiscibles est observée en atmosphère réductrice. Des traces de sulfures et de résidus carbonés ont aussi été observées. Des expériences ont été effectuées à haute température, en conditions dynamiques, avec un dispositif expérimental de laboratoire et avec un pilote de gazéification à lit fluidisé. En condition dynamique, la température est un paramètre très important. Le lavage de la biomasse et l’ajout de kaolin permettent de limiter l’agglomération. Dans le gazéifieur pilote, les gros agglomérats se retrouvent préférentiellement au niveau de la grille et limite la fluidisation. Les teneurs en Fe, Cr et Al de la phase liquide sont plus importantes que celles observées en laboratoire.

This work studies the role of inorganics in ash-bed material interaction during thermal conversion of miscanthus in fluidized bed. The objectives were (1) to describe the transformation of inorganics at high temperature, (2) to reveal their role in the agglomeration and (3) to provide recommendations for miscanthus gasification in fluidized bed. The main ash forming elements in miscanthus are K, Si, Ca, Mg, P, S and Cl. The ashes are composed of silica, carbonates and salts. The carbonates and salts decompose and volatilize at 700ºC, at elevated temperature the dominant solid phases are Ca and Mg silicates. The liquid phase is composed of SiO2, K2O, CaO, MgO regardless of the atmosphere. The accuracy of thermodynamic prediction tool was evaluated with the experimental results. In conclusion, FToxid and FTsalt databases can be used to follow the trends of the main phase transformations at high temperature. The ash-bed interaction was studied under static and dynamic conditions. We found that the wetting of bed material by molten ashes is the key parameter of the agglomeration. The adhesion of particles increases in the order of sand, olivine, calcined olivine. There is no significant difference in the agglomeration mechanism in oxidizing or reductive atmosphere. However, in reductive atmosphere, two immiscible liquid phases can occur and the presence of unburnt char and traces of sulphides was also observed. The ash-bed material interaction was studied under dynamic conditions in a bench scale device and in a fluidized bed gasifier pilot. The parametric investigation showed that the operating temperature has the most significant effect on the agglomeration ratio and the biomass pre washing or the addition of kaolin are the most effective tools to reduce agglomeration risks. During the trials in the gasification pilot the large agglomerates segregated on the grid accelerating the defluidization. Compared to the laboratory tests, the liquid phase is enriched in Fe, Cr and Al.