III/- ASPECTS THEORIQUE ET THERMODYNAMIQUE DE LA
GAZEIFICATION
III.1/- Théorie de la gazéification du
charbon de bois
La gazéification d'un combustible de type
CxHyOz est assez complexe et mal connue. De nombreux composés
intermédiaires peuvent en effet se former au cours des réactions.
On peut néanmoins considérer les réactions fondamentales
suivantes :
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C + O2
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CO2
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ÄH298 = - 394 KJ/mole
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(14).
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2CO
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ÄH298 = + 172 KJ/mole
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(15).
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CH4
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ÄH298 = - 75 KJ/mole
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(16).
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CO2 + H2
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ÄH298 = - 42 KJ/mole
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(17).
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On admet que le bois type a pour formule brute C3H5O2 ; sa
gazéification théorique suit alors la réaction suivante
:
C3H5O2 + 1/2 O2 3CO + 2,5 H2
(18).
En calculant l'enthalpie de cette réaction, on se rend
compte que c'est une réaction légèrement endothermique
(ÄH = 2 MJ / kg).
Pour ce qui est de la gazéification du charbon de bois,
il faut noter que l'oxydation de celui-ci par l'oxygène de l'air
commence à des températures plus basses que l'on ne pense
généralement. Le charbon de bois subit une combustion lente
déjà à température ordinaire. A 100°C, la
vitesse de cette combustion croît rapidement, mais, ce qui est
déjà particulièrement important, l'oxydation se passe
déjà à basse température. Par ailleurs,
après défournement du charbon de bois, celui-ci absorbe les gaz
de l'atmosphère (O2 et N2) et ceci se fait avec dégagement de
chaleur. Donc le seul contact du charbon de bois avec l'oxygène et
même avec l'azote de l'air échauffe le charbon fraîchement
carbonisé. C'est ainsi que vers 100°C et même au-dessous de
cette température, l'oxygène absorbé commence son
rôle d'agent d'oxydation, phénomène qui, lente au
début dégage encore de la chaleur. On assiste donc à un
double phénomène exothermique d'absorption et d'oxydation qui
peut alors se répéter
indéfiniment au point d'élever
considérablement la température de la masse de charbon
jusqu'à son inflammation spontanée.
En fait, le mécanisme de la combustion du charbon de
bois dépend de la quantité d'oxygène disponible. En
présence d'une quantité insuffisante d'oxygène, le charbon
de bois se transforme en monoxyde de carbone. C'est le principe même de
la gazéification. La gazéification du charbon de bois n'est donc
autre que la combustion de celui-ci dans un milieu pauvre en oxygène. On
a donc la réaction principale suivante :
2C + O2 2CO Äll = - 221 KJ/mole (19).
Mais en présence d'un excès d'oxygène, on a
une combustion complète suivant la réaction :
C + O2 CO2 Äll = - 394 KJ/mole (20).
Les deux réactions sont donc fortement exothermiques.
Lorsqu'un foyer de charbon de bois est incandescent, il peut y
avoir dissociation des deux produits de combustion précédents :
le monoxyde de carbone se dissocie en carbone et en CO2.
2CO C + CO2 Äll = - 172 KJ/mole (21).
tandis que l'anhydride carbonique se dissocie en monoxyde de
carbone et en oxygène :
2CO2 2 CO + O2 Äll = + 570 KJ/mole
(22).
La réaction la plus intéressante du CO2
formé est sa réduction en présence d'un excès de
charbon incandescent :
C + CO2 2CO Äll = + 172 KJ/mole (23).
Même si cette réaction absorbe une grande
quantité de la chaleur du foyer, elle fournit du CO dont la production
est recherchée pour l'utilisation dans les moteurs.
Enfin en présence d'eau, il peut aussi y avoir
dissociation de l'eau par le carbone porté à haute
température :
C + 112O CO + 112 Ä11 = + 180 KJ/mole
(24).
Cette réaction a pour effet d'enrichir le gaz pauvre en
hydrogène dont le pouvoir calorifique est très
élevé ; cette opération nécessite également
de grosses quantités d'énergie.
Il est important de noter que plus la teneur en carbone fixe
du charbon végétal est élevé, plus simples sont les
réactions de gazéification. En effet, la gazéification du
charbon de bois se rapprochant de celle du carbone pur, limite ainsi les
réactions intermédiaires qui se produisent avec un composé
complexe comme le bois brut.
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