Présentation

Ce site présente l'étude que nous avons réalisée dans le cadre du Bureau d'Etudes Industrielles d'Energétique et Procédés.

Cette étude s'inscrit dans le cadre du projet GAYA de gazéification de la biomasse en lit fluidisé croisé développé par GDF Suez, en collaboration avec le Laboratoire de Génie Chimie de Toulouse (LGC). Elle a pour objet de modéliser la phase de combustion dans la partie basse du combusteur (lit fluidisé dense) afin d'en valider la cinétique dégagée lors des expériences réalisées en laboratoire. Les simulations numériques seront effectuées à l'aide du logiciel NEPTUNE_CFD, dans un premier temps en 2D afin de simplifier le problème et de limiter les temps de calcul puis en 3D afin de nous approcher le plus possible de la réalité physique de l'expérience.
 
Notre travail s'appuyera sur les travaux précdemment réalisés en 2012 par l'équipe de BEI "Gazéification de la biomasse en lit fluidisé circulant" (http://hmf.enseeiht.fr/travaux/bei/beiep/content/2012-g04/accueil) et sur l'expérience effectuée au LGC par H.Maffre ($\href{http://hmf.enseeiht.fr/travaux/bei/beiep/content/g12/presentation-lexperience-realisee-en-laboratoire}{\textbf{Expérience}}$).

 

 

 

 

 

Contexte industriel

Les acteurs du projet

Le projet GAYA a été créé par un consortium dirigé par le groupe français GDF Suez. Une dizaine de partenaires, comprenant des entreprises et des laboratoires de recherche, ont pris part au projet. Parmi eux, le Commisariat à l'Energie Atomique (CEA) et le Laboratoire de Chimie Chimique de Toulouse (LGC).

          

Présentation du projet GAYA

 

Qu'est ce que le projet GAYA ?

La société GDF Suez, en partenariat avec de nombreux laboratoires dont le Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse (LGC), a mis au point le projet GAYA dans le but d'élaborer un nouveau procédé capable de produire des biocarburants de nouvelle génération à partir de biomasse. Une équipe du LGC (dirigée par le professeur HEMATI) est actuellement chargée d'élaborer un pilote de ce futur biogénéateur. Les objectifs du projet sont les suivants :

  • Valider la pertinence technique de ce procédé en prévision de sa future industrialisation
  • Développer une industrie innovante de production de bio-méthane à partir de biomasse

 

Pourquoi le biométhane ?

Le bio-méthane est un gaz combustible, produit à partir de la transformation de matières organiques telles que le bois ou les végétaux. Ses emplois sont nombreux : biocarburant, électricité, chauffage...

Ce gaz s'adresse à l'industrie automobile ainsi qu'aux consommateurs individuels et collectifs d'électricité ou de chauffage. Le bio-méthane est produit à partir de la gazéification de biomasse provenant de copeaux de bois ou de paille. Ce procédé constitue une véritable innovation technologique.

 

Quels en sont les enjeux ?

Les différents gouvernements européens ainsi que GDF Suez ont déjà investi plus de 40 millions d'Euros dans ce projet innovant qui devrait voir le jour fin 2013 et conduire à terme à la mise en place à l'échelle industrielle d'une filière de production de bio-méthane. Un tel investissement se justifie par l'importance de ses enjeux :

  • Economiques : Permettre le développement d'une nouvelle filière de production d'énergie
  • Géopolitiques : Réduire notre utilisation d'énergies fossiles
  • Environnementaux : Diminuer nos émissions de gaz à effet de serre afin de prévenir le réchauffement climatique

 

 

 

 

 

Le procédé

Schéma de l'installation :

Le procédé utilisé permet de créer des gaz de synthèse à partir de la gazéfication de la biomasse. Ces gaz serviront ensuite à créer des bio-carburants ou à alimenter des turbines pour produire de l'électricité. Le but de ce procédé est donc de créer de l'énergie.

Le schéma ci-dessous présente la structure de l'installation et les différentes étapes de la gazéification :

 

SOURCE : BEI E&P 2011-2012 Gazéification de la biomasse en lits fluidisés croisés

L'installation se compose de 2 parties  : le gazéifieur et le combusteur

Principe de fonctionnement :

Le procédé se déroule en 3 étapes distinctes :

Pyrolyse de la biomasse :

La biomasse est injectée dans le gazéifieur sous forme de bâtonnets. Elle y est tout d'abord pyrolysée. La pyrolyse consiste à décomposer la biomasse en char (ou coke) et en gaz à une température très élevée (autour de 850°C) et dans un environnement dépourvu d'oxygène afin d'éviter toute réaction de combustion ou d'oxydation. Cette étape est dite autothermique car elle ne produit ni ne consomme d'énergie. Les principaux produits de cette réaction sont : le char (carbone réducteur presque pur) et un mélange de gaz oxydants ($CO, CH_4$) qui constituent les gaz de pyrolyse.

Combustion du char :

Le char ainsi créé est un combustible solide qui se présente sous la forme de bâtonnets cylindrique de 11 à 25 mm de longueur et de 3 à 4 mm d'épaisseur. Il est injecté dans la partie basse du combusteur dans un lit fluidisé : les particules de char sont mises en suspension. On utilise dans cette phase des particules d'olivine qui entraînent les particules de char dans le lit fluidisé. En effet, les particules de char ont une taille trop importante pour être fluidisées seules.

La réaction de combustion peut alors avoir lieu et s'écrit sous la forme : $C + O_2 \rightarrow CO_2$. Elle permet d'obtenir des températures assez hautes pour fournir la chaleur nécessaire à la pyrolyse et à la phase ultérieure de gazéification.

Les fumées de combustion sont évacuées par le haut du combusteur.

Gazéification :

L'énergie produite par la combustion va permettre d'amorcer la réaction de gazéification dans le gazéifieur. Cette réaction se déroule entre le char et la vapeur d'eau (injectée dans la partie basse du combusteur) selon l'équation : $C + H{_2}O \rightarrow H_2 + CO$

Les différentes parties du combusteur :

On distingue 3 parties dans le combusteur :

  • A l'extrémité basse, un lit fluidisé dense : constitué de particules d'olivine, il est mis en mouvement par une arrivée d'air qui traverse une grille perforée.
  • La zone de transition est située au dessus du lit fluidisé dense et est créé par la différence entre le débit d'air injecté dans la canne d'injection et celui injecté à travers la grille perforée.
  • Enfin, en haut du combusteur, on observe un lit fluidisé circulant - ou cyclone - qui sépare le gaz des particules solides.  Les particules solides sont transportées en tête de réacteur puis renvoyées dans le gazéifieur afin d'y apporter la chaleur nécessaire à la réaction.

Le principe des lits fluidisés sera plus amplement détaillé dans la partie suivante ($\href{http://hmf.enseeiht.fr/travaux/bei/beiep/content/g12/les-lits-fluidises}{\textbf{Les lits fluidisés}}$)

 

Les lits fluidisés

Les lits fluidisés

La fluidisation est un processus qui permet l'envolement de particules sous l'action d'un flux gazeux. Un lit fluidisé est constitué de deux phases :

  • une phase solide, constituée des particules en suspension
  • une phase gazeuse - air par exemple - en mouvement ascendant à travers le lit de particules solides

La mise en suspension des particules dans un lit repose sur un principe simple. Lorsque la force de trainée qu'exerce le fluide sur les particules devient plus importante que le poids apparent de ces dernières, elles sont entraînées par le fluide : le lit devient fluidisé.

L'avantage principal de l'utilisation d'un lit fluidisé repose sur le transfert constant de chaleur et de matière qu'il permet entre la phase gazeuse et la phase solide. En effet, ceci provient d'une surface de contact entre particules de gaz et de solides nettement plus importantes qu'avec d'autres procédés. Il est de plus possible de contrôler le temps de séjour des particules dans le combusteur.

 

SOURCE : BEI E&P 2011-2012 Gazéification de la biomasse en lits fluidisés croisés

 

Présentation du BEI

Présentation de l'expérience réalisée en laboratoire

Notre Bureau d'Etudes Industrielles s'intéresse à la phase de combustion. Cette étape a lieu dans la partie basse du combusteur. Nous ne nous intéresserons donc qu'à cette partie de l'installation.

Le but de ce projet est d'effectuer la simulation 3D de la phase de combustion dans le lit fluidisé dense afin d'en modéliser la cinétique.

Nos travaux se basent sur une expérience réalisée par Harold MAFFRE, un ingénieur du Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse.

Description de l'installation :

SOURCE : H.Maffre, M.Hemati. Etude cinétique de la combustion du char en lit fluidisé

L'installation utilisée a une hauteur de 1,10 m. Les parois sont calorifugées afin d'éviter toute perte de chaleur et le combusteur a un diamètre de 12,50 cm. 

Les particules d'olivine ont un diamètre compris entre 300 et 400 micromètres et une masse volumique de 3040 kg/m3. On en injecte une masse de 5,5 kg, sachant que le taux de vide dans le lit est de 60%. Le char est ensuite injecté directement sous forme de granulés au milieu du lit d’olivine par la canne d'injection située sur la gauche du combusteur.

Des capteurs de pression de type Druck LPX 5000 mesurent la pression dans le lit dense à 10 et à 20 cm de hauteur. L'incertitude de ce capteur est estimée à 0,25 % de la pleine échelle.

Deux thermocouples (T1 et T2) mesurent la température dans le combusteur et un analyseur de $CO_{2}$ calcule le pourcentage de dioxyde de carbone en sortie afin de quantifier les produits de la réaction de combustion. La position des thermocouples est définie sur le schéma ci-dessous :

SOURCE : H.Maffre, M.Hemati. Etude cinétique de la combustion du char en lit fluidisé

 

Particules de char :

Les particules de char utilisées se présentent sous la forme de granulés de forme cylindrique, de longueur moyenne 11,8 mm et de diamètre 4,3 mm.

SOURCE : H.Maffre, M.Hemati. Etude cinétique de la combustion du char en lit fluidisé

Le diamètre équivalent des particules de char est un paramètre primordial lors de la simulation numérique. Il faut donc le calculer. Pour ce faire, on calcule le rayon d'une sphère qui aurait le même volume que les granulés cylindriques de char. On trouve un rayon équivalent de 3,44 mm.

Résultats obtenus :

Les expériences successives réalisées par H.MAFFRE démontrent que :

  • la réaction de combustion du char est relativement lente et dépend du diamètre des particules de char
  • la masse du char injecté a peu d'effet sur le temps de la réaction de combustion
  • le dégagement de dioxyde de carbone et l'exothermicité de la réaction sont proportionnels à la masse de char introduite

Objectifs du bureau d'études :

L'objectif de notre bureau d'études sera de modéliser numériquement la phase de combustion du char dans le combusteur afin de comprendre la cinétique de réaction pour pouvoir par la suite la transposer dans le cas du lit fluidisé circulant et modéliser la cinétique de l'ensemble du dispositif.

L'équipe et les encadrants

 

L'équipe de projet est composée de 3 élèves ingénieurs à l'ENSEEIHT :

 

 

Ayoub Belhajria

3ème année Energétique et Procédés

ayoub.belhajria@etu.enseeiht.fr

 

Camille Journeau

3ème année Energétique et Procédés

camille.journeau@etu.enseeiht.fr

 

Maxime Rosello

3ème année Mécanique des Fluides Numérique

maxime.rosello@etu.enseeiht.fr

 

Plusieurs encadrants nous ont permis de mener à bien notre projet :

  • Renaud Ansart, maître de conférence au Laboratoire de Génie Chimique de Toulouse au sein du département Réaction-Mélange-Séparation
  • Hervé Neau, ingénieur chercheur à l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse.
  • Pr. Mehrdji Hemati, professeur à l'ENSIACET et ingénieur chercheur au sein du département Réaction-Mélange-Séparation