Valorisation de déchets de bois et matières plastiques par pyrogazéification et épuration des gaz

Valorization of wood and plastic waste by pyro-gasification and syngas cleaning

• Auteur / Autrice : Augustina Ephraim
• Direction : Ange Nzihou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 30/11/2016
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés, de l'énergie et de l'environnement (Albi ; 2012-....) - Centre de recherche d'Albi en génie des procédés des solides divisés- de l'énergie et de l'environnement / RAPSODEE
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Lavoie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ange Nzihou, Fabrice Patisson, Carlo Vandecasteele, Doan Pham Minh, Chantal B Block, Yong Chi, Damien Lebonnois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Patisson, Carlo Vandecasteele

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz de synthèse

Biomasse -- Gazéification

Pyrolyse

Déchets

Mots clés libres

Déchet

Pyrolyse

Gazéification

Modélisation

Chlorure d'hydrogène

Purification du syngaz

Waste

Pyrolysis

Gasification

Modelling

Hydrogen Chloride

Syngas cleaning

Résumé

Les déchets de bois et de plastiques sont des ressources prometteuses pour la production du gaz de synthèse (syngaz) par la pyro-gazéification grâce à leurs disponibilités et leurs caractéristiques énergétiques. Cependant, le syngaz issu de ces déchets peut contenir des teneurs élevées en chlorure d’hydrogène (HCl) qui est corrosif et toxique et qui doit donc être éliminé. Premièrement, les expériences de pyrolyse des mélanges de bois de peuplier et de plastiques ont mis en évidence l’influence des plastiques sur les produits obtenus. En effet, le HDPE et PS augmentent respectivement le pouvoir calorifique du syngaz et le rendement en huiles, tandis que le PVC augmente le rendement en char et le HCl dans le syngaz. Ensuite, les expériences de pyro-gazéification à l’échelle pilote ont montré que l’ajout de 1 % en masse de PVC dans un déchet de bois augmente la teneur en goudrons et HCl dans le syngaz par un facteur respectivement de 2 et 5,5, tandis que la concentration de chlore dans le char résiduel est 16 fois plus élevée. En parallèle, un model CFD a été développé pour simuler la pyro-gazéification du déchet de bois en couplant les phénomènes d’écoulement de fluides, transfert de masse et de chaleur, et les réactions chimiques. Ce modèle se compose des sous-modèles de séchage, pyrolyse, oxydation et gazéification du char. Les résultats de simulation sont en bon accord avec les données expérimentales obtenues par des expériences dans un gazéifieur à l’échelle pilote. En outre, les analyses de sensibilités du sous-modèle de la gazéification de char ont été réalisées. Finalement, une étude expérimentale a été conduite sur le traitement de HCl dans le syngaz. L’étude se concentre sur la valorisation de deux résidus solides industriels issus de la production de bicarbonate et carbonate de sodium. Leurs réactivités sont comparées avec celles de deux adsorbants commerciaux, NaHCO3 et Ca(OH)2. L’effet de la matrice gazeuse sur la performance des adsorbants est également examiné. Les résidus industriels ont un potentiel intéressant par rapport aux adsorbants commerciaux. Les résultats obtenus montrent des nouvelles approches pour la purification du syngaz généré par la gazéification des déchets de bois et de plastiques.

Wood and plastic waste are interesting feedstock for the production of syngas via pyro- gasification, mainly due to their abundant supply and good fuel properties. However, syngas derived from waste may contain significant amounts of hydrogen chloride (HCl), which is corrosive and toxic and must therefore be removed. In this work, co-pyrolysis experiments were first conducted in order to study the influence of mixing different plastics with wood samples on the pyrolysis products. It was found that HDPE and PS significantly increase the heating value and HCl content of the gas product respectively, while PVC increases the yield of char and HCl. Next, pilot-scale experiments were performed, which revealed that adding 1 wt% PVC to wood waste raises the content of tar and HCl in syngas by factors of 2 and 5,5 respectively, and also elevates the chlorine concentration in the char residue 16 time over the value obtained in the absence of PVC. In parallel, a CFD model was developed to simulate the pyro-gasification of wood waste by coupling fluid flow, heat and mass transfer, and chemical reactions. This model consists of drying, pyrolysis, oxidation and char gasification sub-models. The simulation results were in good agreement with experimental data obtained from the pilot-scale experiments. Furthermore, sensibility analyses on the char gasification sub-model were performed. Finally, an experimental study was conducted on the removal of HCl from syngas. The study focused on valorizing two industrial solid wastes generated from the process of sodium carbonate and sodium bicarbonate manufacture. Their HCl adsorption performance were compared to those of the commercial sorbents, NaHCO3 et Ca(OH)2. Moreover, the effect of gas matrix on their performance was studied. The industrial wastes showed potential for treating acid gas as compared to the commercial sorbents used. This opens up new approaches to the purification of syngas generated by the pyro-gasification of wood and plastic waste.