Gazéification de la biomasse lignocellulosique dans un réacteur à lit fluidisé : étude paramétrique, balance énergie/éxergie et modélisation

Thermodynamic analysis of gasification and pyrolysis of lignocellulosic biomass : parametric study, energy/exergy balance and kinetic modelling

• Auteur / Autrice : Luis César Reyes Alonzo
• Direction : Bechara Taouk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 10/12/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de sécurité des procédés chimiques (Saint Etienne du Rouvray, Seine-Maritime ; 1989-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexis Coppalle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bechara Taouk, Anthony Dufour, Abdeslam-Hassen Meniai, Jean-Christophe Buvat, Lokmane Abdelouahed, Capucine Dupont, Aïssa Ould Dris
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anthony Dufour, Abdeslam-Hassen Meniai

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de chaleur

Transfert de masse

Thermogravimétrie

Entropie

Énergie de la biomasse

Exergie

Modélisation CFD

Cinétique chimique

Charbon -- Gazéification

Charbon à usage agricole

Catalyseurs

Thermodynamique

Réacteurs à lit fluidisé

Biomasse -- Gazéification

Pyrolyse

Biomasse -- Conversion

Mots clés libres

Bilans énergétiques et éxergétiques

Gazéification en réacteur à lit fluidisé

Pyrolyse de la biomasse

Lit catalytique de biocharbon

Biocharbon

Désoxygénation catalytique

Analyse thermogravimétrique

Energy balance and exergy evaluation

Gasification in a fluidized bed reactor

Biomass pyrolysis

Biochar catalytic bed

Coal gasification

Catalytic deoxygenation

Thermogravimetric study

Kinetic model in fluidised bed reactor

Lignocellulosic biomass

Thermochemical conversion of biomass

Biomass gasification

Exergy

Computational fluid dynamics

Résumé

L’analyse thermodynamique détaillée de la conversion de la biomasse par pyrolyse et gazéification a été étudiée dans ce travail de thèse. Cette analyse est basée sur le calcul des bilans énergétiques et éxergétiques en fonction des paramètres opératoires. L’effet de la présence d’un catalyseur, de la température et de l’agent de gazéification ont été étudiés dans le cas de la gazéification en réacteur à lit fluidisé. Il a été observé que la demande énergétique augmentait avec la température, ainsi que le taux de destruction de l’éxergie. Il a aussi été mis en évidence que la pyrolyse à haute température nécessitait moins d’énergie que la gazéification avec le dioxyde de carbone. De plus, l’utilisation d’un lit catalytique de biocharbon pour la gazéification augmente le taux de destruction d’exergie, mais augmente aussi l’efficacité exergétique du gaz de synthèse. La comparaison entre les deux agents de gazéifications, la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone, a révélé que la gazéification avec la vapeur d’eau est thermodynamiquement plus efficace, en effet moins d’entropie est générée et moins d’énergie est requise. L'étude de la pyrolyse de la biomasse en réacteur semi-continu couplée à une désoxygénation catalytique a été également menée. Il a été constaté que la désoxygénation en présence du catalyseur HZSM-5 fait diminuer le taux de destruction éxergétique du procédé alors que la demande énergétique est multipliée approximativement par deux. L’analyse thermodynamique de la pyrolyse catalytique et non catalytique des composants de la biomasse (cellulose, hémicellulose et lignine) a été enfin réalisée. Cette analyse a montré que la pyrolyse des composants séparés nécessitait moins d’énergie que la pyrolyse de la biomasse. Aussi, moins d'irréversibilité est notée lors de la conversion des pseudo-composants comparée à celle de la biomasse. La dernière partie de la thèse concerne la modélisation cinétique de la réaction de gazéification du biochar avec le dioxyde de carbone dans un réacteur à lit fluidisé. Le modèle cinétique a été comparé à celui développé pour l’analyse thermogravimétrique ATG. Les résultats ont montré que malgré l'utilisation de conditions identiques de gazéification dans les deux systèmes, le modèle cinétique développé diffère d’un cas à l’autre. Cette différence a été attribuée au fait que le processus de transfert de matière et de chaleur n’est pas identique dans les deux cas.

The detailed thermodynamic analysis of biomass conversion by pyrolysis and gasification was studied in this thesis work. The analysis was based on the calculation of the energy balance and exergy evaluation according to the operating conditions. The presence of a catalyst, the temperature and the gasification agent effect were studied in the case of gasification in a fluidized bed reactor. It was observed that energy demand increases with the temperature as well as the exergy destruction rate. It was also found that high-temperature pyrolysis requires less energy than gasification with carbon dioxide. In addition, the use of a biochar catalytic bed for gasification increases the exergy destruction rate but also increases the exergetic efficiency of the syngas. Comparison between the two gasification agents, steam and carbon dioxide, showed that steam gasification was thermodynamically more efficient, as less entropy was generated and less energy was required. Study of the biomass pyrolysis in a semi-continuous reactor coupled with catalytic deoxygenation was also carried out. It was found that deoxygenation in the presence of the HZSM-5 catalyst decreases the exergy destruction rate of the process, while the energy requirements were roughly doubled. The thermodynamic analysis of the catalytic and non-catalytic pyrolysis of biomass components (cellulose, hemicellulose and lignin) was also performed, the analysis showing that the pyrolysis of individual components required less heat input than the pyrolysis of biomass. Also, less irreversibility was observed during the conversion of pseudo-components compared to that of biomass. The last part of the thesis concerns kinetic modelling of the gasification reaction of biochar with carbon dioxide in a fluidized bed reactor. The kinetic model was compared to that developed for a thermogravimetric study. The results showed that despite the use of identical gasification conditions in both systems, the kinetic model developed differs from one case to another. The difference was attributed to the fact that the heat and mass transfer process is not the same in the two cases.