Introduction

Contexte industriel

 

Projet GAYA

Le projet Gaya est un projet de recherche et développement qui vise à valider les choix technologiques innovant et les applications du biométhane. Financé par GDF SUEZ et l'ADEME, il a été lancé en 2010 à l'initiative de 11 partenaires issus du monde industriel, institutionnel et académique, en France et en Europe. 

LGC

Parmis ces partenaires, le laboratoire de génie chimique de l’ENSIACET à Toulouse (LGC) apporte au projet GAYA ses connaissances des lits fluidisés, ses compétances dans l'étude et la modélisation des phénomènes de pyrolyse et de gazéification au niveau de la particule. 

BEI

Dans notre cas, ce BEI vise à étudier l'effet de la pyrolyse dans un lit fluidisé qui joue le rôle d'un gazéifieur de biomasse. Cette étude est basée sur une unité pilote du procédé située au LGC. Nous utilisons le logiciel NEPTUNE_CFD pour réaliser la modélisation et la simulation. 

 

 

 

Réactions principales

Pyrolyse : commence à 400°C
  • Biomasse (g)→ αH2 (g) + βCO (g) + γCO2 (g) + δCH4 (g) + εC2H4 (g) + φH2O (g) + λtar (g) + κchar (s)
Vapogasification :  commence à 600°C
  • Char (s) + H2O (g) → CO (g) + H2 (g)        

La pyrolyse consiste en la dévolatilisation partielle de la biomasse. Par traitement thermique uniquement (T>400°C) jusqu'à 80% de la masse de biomasse est convertie en un mélange de gaz valorisable par différents procédés (méthanation, cogénération ...). La composition de ce gaz et la quantité produite sont variables selon la technologie du réacteur et la température de pyrolyse [2]. Cette réaction s'opère en un temps très court et induit un dégagement de gaz assez violent au sein du système réactionnel.

En outre le résidu solide non convertit en gaz consiste en un matériaux très riche en carbone et très poreux appelé le char. Ce char peut réagir avec de la vapeur d'eau pour se convertir de façon complète en CO et H2 supplémentaire lors d'une réaction plus lente appelée vapogasification.

Ce système de réactions est globalement endothermique [2] : il faut apporter de l'énergie au système pour entretenir les réactions. Le problème est que le procédé doit rester autonome en énergie pour avoir une raison d'être.

Procédé

Solution à l'endothermicité :

La solution choisie lors au sein du projet GAYA est de brûler une partie du char produit lors de la pyrolyse dans un autre réacteur afin de produire l'énergie nécessaire à la gasification. Pour transporter la chaleur du combusteur vers le gazéifieur on lie ces deux réacteurs par un lit fluidisé circulant dans lequel se déplace un média caloporteur (sable ou olivine suivant les besoins catalytiques). Le média "froid" (850°C) sort du gazéifieur par une déverse en entraînant du char non convertit vers le combusteur. Le char est alors brûlé et réchauffe le média environnant (950°C) qui retourne vers le gazéifeur en sortant par le haut du combusteur. L'unité pilote du LGC fait circuler un débit de média de 378 kg/h pour 20 kg/h de biomasse.

Schéma du procédé :

Autre rôle du média :

La biomasse utilisée dans l'unité pilote est sous forme de granulés de bois aggloméré d'environs s 2,5 cm de longs.

 

Longueur caractéristique

Masse volumique Vitesse minimale de fluidisation

Média

(sable ou olivine)

300µm 3040 kg/m3 4 cm/s

Biomasse

(granulés de bois)

2.5mm 600 kg/m3 5 m/s

Dans ce tableau on a calculé les vitesses minimales de fluidisation du média et de la biomasse grâce à la relation de Thonglimp [1].

  • $Re_{mf}=(31,6^2+0,0425Ga)^{\frac{1}{2}}-31,6$

On remarque que la vitesse minimale de fluidisation de la biomasse est considérable ce qui donne un autre rôle au média : mettre en mouvement la biomasse grâce aux multiples collisions des grains de média sur les granulés.