II. ETUDE
BIBLIOGRAPHIQUE
1.
La gazéification : Etat de l'art
1.1. Principe de la gazéification
La « gazéification » désigne une
transformation thermochimique consistant à décomposer par la
chaleur un solide combustible carboné (charbon, biomasse)
hétérogène en présence d'un réactif gazeux
(gaz carbonique, vapeur d'eau puis oxygène/air) dans le but d'obtenir un
mélange gazeux combustible. La réaction de gazéification
se passe dans des conditions de température très
élevées (plus de 1000°C). Le gaz de synthèse obtenu,
appelé « le syngas » (pour « synthetic gas »).
Ce syngas peut être potentiellement
utilisé :
· comme source de production de chaleur ;
· comme source de production d'électricité;
· comme source de production d'hydrogène, de
méthanol et de méthane par traitement chimique ;
· comme source de production de carburant de synthèse
par le procédé Fischer-Tropsch
1.2. Les réactions chimiques de la
gazéification
La gazéification consiste en une transformation
thermique d'un solide combustible (charbon, bois etc..) en présence
d'un composé gazeux appelé agents gazéifiant
(O2,air,CO2, vapeur d'eau) .Il est possible aussi
d'utiliser un mélange de plusieurs agents gazéifiant afin
d'obtenir du gaz avec des propriétés particulières. Par
exemple, la gazéification à l'oxygène produit un gaz dont
le pouvoir calorifique est nettement supérieur à celui d'un gaz
où l'agent gazéifiant est l'air. Le but de cette transformation
est généralement de convertir le solide en un mélange
gazeux combustible.
Pour parvenir à la production du syngas, plusieurs
réactions préalables sont nécessaires. L'ensemble de ce
processus est appelé gazéification. Il nécessite, à
partir d'une matière organique, d'obtenir au préalable dans le
réacteur de la vapeur d'eau (H2O), du carbone (C) et de
produire une chaleur suffisante pour la réaction finale de
gazéification. Quatre étapes successives, fortement
couplées, sont nécessaires, la troisième produisant la
chaleur requise par les trois autres. Les étapes sont décrites
brièvement ci-après :
Ø 1ère étape :
séchage de la matière pour produire de la vapeur
d'eau
Cette étape se déroule à des
températures comprises entre 100°C et 160°C. Sous l'effet de
la chaleur, l'eau contenue dans la matière organique s'évapore.
Le combustible carboné résultant est sec et de différentes
natures (charbon, biomasse, etc.). Dans le cas de produits non
homogènes, une phase préalable (tri, broyage) est
nécessaire avant d'introduire cet intrant dans le gazéifieur.
Ø 2e étape : pyrolyse de la
biomasse pour obtenir du coke (résidus de carbone) et des gaz de
pyrolyse
Cette étape sans oxygène (anaérobie) se
déroule à des températures situées entre 120°C
et 600°C. Elle est dite « auto thermique »
car elle ne produit ni ne consomme d'énergie. En augmentant
progressivement la température en l'absence d'oxygène, la
matière séchée se décompose et les atomes de
carbone s'associent entre eux. Il se forme alors :
· du carbone réducteur presque pur (coke ou
résidus de carbone) ;
· un mélange de gaz oxydants condensables et
non-condensables composés majoritairement de monoxyde de carbone (CO) et
d'hydrocarbures (CH4) ;
· des goudrons et des matières volatiles condensables
issues de vapeurs de composés organiques (acides acétiques,
aldéhydes).
Autrement dit les principes de la pyrolyse à savoir la
cinétique de pyrolyse, la répartition gaz/solide formée
ainsi que les composantes chimiques des produits résultant
dépendent fortement de nombreux paramètres ou la
température, la vitesse de montée en température, la
granulométrie et la nature du combustible sont les grandeurs les plus
influentes.
Ø 3e étape : oxydation des
gaz de pyrolyse pour générer une chaleur suffisante à la
gazéification
Cette étape se déroule en présence
d'oxygène à des températures comprises entre 1200°C
et 1500°C. Les matières volatiles issues de la pyrolyse s'oxydent.
Cette combustion dégage la chaleur nécessaire aux deux
étapes précédentes et à l'étape suivante de
la gazéification. Elle nécessite un fort apport en
oxygène.
Ø 4e étape : la
réduction ou « gazéification » du
carbone pour produire le syngas
Cette étape se déroule à des
températures comprises entre 800 °C et 1200°C.Enl'absence
d'oxygène, le coke obtenu lors de la phase de pyrolyse réduit la
vapeur d'eau et le gaz carbonique obtenus dans l'étape
précédente respectivement en hydrogène et en oxyde de
carbone pour former du syngas, combustible composé en proportions
variables du Monoxyde de carbone (CO) et du Dihydrogène (H2)
, du Méthane (CH4).
Figure 1 : Processus de
gazéification,[1]
Les mécanismes de la gazéification
définies ci-dessus couplés aux phénomènes de
transferts thermiques et massiques mis en jeux sans oublier les
propriétés du combustible(granulométrie, densité,
porosité etc..) sont des facteurs qui vont conditionner la technologie
des réacteurs adaptés à chaque procédé de
gazéification de la biomasse.
1.3. Nature des gaz produits
Lors de la gazéification la partie organique du
combustible est transformée principalement en monoxyde de carbone (CO)
et en dihydrogène (H2) et dans des proportions plus faibles
en méthane CH4.Selon le type de réacteur mais surtout
de d'agent gazéifiant la somme H2 +CO varie dans de fortes
proportions et peut représenter par exemple jusqu'à 80% dans le
gaz de synthèse obtenus par gazéification à
l'oxygène.
Ces gaz contiennent aussi divers gaz inertes : vapeur d'eau
(H2O) , azote (N2) et dioxyde de carbone
(CO2), en proportion variable en fonction des procédés
et de la matière première ; ainsi de divers composés
à l'état de traces, dont les proportions sont directement
liées à la nature du combustible tels que le Chlorure
d'hydrogène (HCl) ,Fluorure d'hydrogène (HF), Ammoniac
(NH3), Cyanure d'hydrogène (HCN), les métaux lourds
volatils à basses températures, etc...(Cirad
forêt,2001)[ 2 ]
Enfin une part plus ou moins importante de composés
hydrocarbonés, les goudrons résultant de la pyrolyse, peuvent
être présents dans le gaz ceci en fonction du type de
réacteurs utilisés et primordialement de la nature de la
matière première.
Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) du gaz et sa
composition est fonction de :
v la nature du combustible,
v la nature et la proportion de l'agent gazéifiant
L'utilisation de l'air comme agent gazéifiant tend
à faire baisser le PCI du gaz, du fait de la forte proportion d'azote
dans le gaz. Le PCI du gaz obtenue varie de 3 à 6 MJ/Nm3.
Dans le cas où l'agent gazéifiant est de la
vapeur d'eau, on peut obtenir un gaz à forte teneur en hydrogène.
Le PCI d'un tel gaz peut varier de 10 à 15
MJ/Nm3.(Gai et Al,2012)[ 3 ]
v et évidemment du type de réacteur.
Ce PCI peut être exprimé grâce à la
formule suivante :
PCI (MJ/m3) = 0,126 * CO (%) + 0,108*
H2 (%) + 0,358* CH4 (%)
Le tableau ci-dessous illustre la nature du PCI
dépendamment des facteurs précités :
|
Gazéification à l'air
|
Lit Fixe co-courant
|
Lit fixe contre-courant
|
Lit fluidisé circulant
|
|
Humidité biomasse
|
% mh1
|
6-20
|
n.d
|
13-20
|
|
Particules
|
mg/Nm3
|
100 - 8 000
|
100 - 3 000
|
8 000 - 100 000
|
|
Goudrons
|
mg/Nm3
|
10 - 6 000
|
10000 - 150000
|
2 000 - 30 000
|
|
PCI du gaz
|
MJ/Nm3
|
4,0 - 5,6
|
3,7 - 5,1
|
3,6 - 5,9
|
|
H2
|
% vol
|
15 - 21
|
10 - 14
|
15 - 22
|
|
CO
|
% vol
|
10 - 22
|
15 - 20
|
13 - 15
|
|
CO2
|
% vol
|
11 - 13
|
8 - 10
|
13 - 15
|
|
CH4
|
% vol
|
1 - 5
|
2 - 3
|
2 - 4
|
|
Cn Hm
|
% vol
|
0,5 - 2
|
n.d
|
0,1 - 1,2
|
|
N2
|
% vol
|
différence
|
différence
|
différence
|
Tableau 1 : Composition moyenne du gaz en
fonction du type de procédé [2]
1.4. Les différents procédés de
gazéification
Le choix d'un type de procédé est guidé par
la taille de l'installation, le solide combustible carboné
utilisé, l'usage du gaz produit et la maturité des technologies.
Il existe plusieurs procédés de gazéification
(Procédis, 2004[4]).
1.4.1. Le procédé à
lit fixe
Il peut être soit à co-courant soit à
contre-courant 
Figure 2: Gazogène à contre-courant (a
gauche) et a co-courant (à droite)
§ À co-courant (downdraft)
Les différentes étapes de la réaction de
gazéification sont successivement réalisées de haut en bas
dans le réacteur. La matière organique est d'abord introduite
à son sommet. De l'air est injecté à mi-hauteur pour
amorcer la combustion et fournir de la chaleur à l'ensemble du
réacteur. L'augmentation progressive de la température permet
d'obtenir les différentes réactions entrainant les gaz produits
vers la zone la plus chaude du réacteur. Le syngas est
récupéré au niveau du socle du réacteur du
gazogène. Il en résulte alors une faible concentration en
goudrons beaucoup plus faible que pour les procédés a
contre-courant.la conversion thermo chimique est alors plus aboutit. Ce type de
gazeifieur est utilisés exclusivement pour de la biomasse relativement
sec (15% d'humidité),ce qui est notre cas au niveau du Centre
Songhaï.
§ À contre-courant (Updraft)
L'air est injecté à la base du réacteur
et le syngas est récupéré sous son sommet, au-dessus de la
zone de pyrolyse et présente de ce fait une teneur en goudron importante
mais est faiblement chargé en particules. Le combustible solide est
quant à lui complètement converti en gaz et en goudron. Les
procédés à contre-courant peuvent être
utilisés pour des combustibles solides très humides (% H 60%)
et sont relativement peu sensibles à la taille de la matière
première. Ce type de gazeifieur rencontre des difficultés pour le
traitement des goudrons des gaz produits d'où l'intérêt de
ne pas l'utiliser pour la production d'électricité
(encrassement et corrosion des installations) mais plutôt
privilégier une valorisation thermique. Ce procédé doit
assurer une dégradation complète des goudrons.
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