Introduction

Ce site rassemble les résultats de l'étude sur le développement d'un code 1D pour la réaction de combustion menée dans le cadre des Bureaux d' Études industrielles Énergétique et Procédés de l' ENSEEIHT.

La réaction de combustion en question siège dans la partie combusteur du procédé de gazéification en lits fluidisés circulants croisés développé dans le cadre du projet européen GAYA financé par l'ADEME et piloté par GDF SUEZ. Dans le cadre de ce projet le LGC (Laboratoire de Génie Chimique) a conçu et réalisé un pilote froid à l'échelle semi-industrielle.

L'étude s'appuie sur plusieurs documents (rapports, articles et codes) et consiste à développer un code 1D couplant l'hydrodynamique, les transferts thermiques et de matière dans le réacteur de combustion. L'intérêt de ce code 1D est de permettre le dimensionnement de la zone de combustion en vue de consommer dans son intégralité le char injecté. L'objectif du BEI est d'adapter un code fortran90, développé pour simuler le séchage de grains de PVC en séchoir pneumatique, au procédé de combustion.

 

 

Le procédé

Le procédé lié à l'étude est un système gazéifieur/combusteur qui permet d'entretenir la pyrolyse et la gazéification de la biomasse. Le pilote monté au LGC fonctionne selon ce principe actuellement utilisé dans la centrale de Güssing.

Schéma du système :

(Schéma du système gazéifieur/combusteur, source : http://hmf.enseeiht.fr/travaux/bei/beiep/content/2012-g04/procede)

Le fonctionnement :

Le gazéifieur : La biomasse est introduite dans le gazéifieur pour y subir une pyrolyse flash (à haute température, T=800°C dans l'enceinte), c'est à dire une réaction de décomposition du bois en atmosphère pauvre en dioxygène. Cette réaction produit un mélange de gaz, d' hydrocarbures lourds et de char.

S'en suit des réactions dites de gazéification qui vont permettre de produire des gaz de synthèse à partir du char, notamment le méthane. Ces réactions sont globalement endothermiques. Cette constatation, couplée au fait que les particules de biomasse (diamètre de quelques millimètres) sont difficilement fluidisables  justifient d'une média caloporteur. L'olivine a été retenue comme média circulant dans le gazéifieur et dans le combusteur. Son intérêt est double puisqu'il sert à la fois de caloporteur qui vient entretenir les réactions de gazéification, à partir de l'énergie produite dans la zone de combustion, et de permettre la fluidisation du mélange par leur taille relativement faible (200 à 400 micromètres). De plus, l'olivine sert de catalyseur pour le craquage des hydrocarbures.

 

Le combusteur : Une partie du char obtenu est injecté dans le combusteur et va servir de combustible solide pour la réaction de combustion. La fluidisation du milieu entraîne l'apparition d'un lit dense en pied de combusteur et d'un lit circulant au dessus de l'injection secondaire qui va permettre de transporter l'olivine chauffée et le char en cours de combustion vers le gazéifieur et ainsi entretenir la gazéification en cédant son énergie thermique. Une partie du méthane récupéré en sortie de gazéifieur sert également au démarrage de la combustion.

Le code développé porte sur la phase transportée du lit fluidisé au dessus de l'injection d' air secondaire.

 

Un schéma récapitulatif est disponible ici

Les contextes

Le contexte industriel

Le procédé étudié génère du biométhane pouvant servir à la confection de biocarburants, d'éléctricité ou encore pouvant être utilisé directement à l'échelle d'un foyer (le méthane est majoritaire dans la composition du "gaz de ville").

Le gouvernement français publie les chiffres suivant pour la consommation d'énergie en 2011

Répartition de la consommation d' énergie en France en 2011_service de l'observation et des statistiques, source :http://www.developpement-durable.gouv.fr/IMG/pdf/LPS130.pdf

D'ici 2020, l'objectif est de passer à environ 23% d'énergie renouvelables, section qui inclue les biocarburants et la production d'énergie à partir de biomasse (comme le bois).

Le projet Gaya mené par le département recherche et développement de GDF SUEZ en collaboration avec des laboratoires comme le LGC présente un enjeu important puisqu'il permettra la mise en fonction de systèmes industriels capable de produire du biométhane par pyrolyse/gazéification de granulés de bois. Cette étude contribuera à se rapprocher des nouvelles normes environnementales qui entreront en vigueur dans les années à venir et participera à la diversification des sources d'énergies qui est une nécessité dans un contexte de réduction de l'utilisation des énergies fossiles et de création de nouvelles filières industrielles de production d'énergie (face à la domination de l'énergie nucléaire en France).   

 

Le contexte d'étude

Le développement du code 1D pour la combustion se base sur des résultats expérimentaux obtenus sur le pilote pré-industriel du système gazéifieur/combusteur et sur une maquette du combusteur, tout deux mis en fonction au LGC. Les données expérimentales ont été enregistrées par Harold Maffre, ingénieur au LGC.

L'étude s'appuie également sur trois documents principaux :

-Le rapport de projet de fin d'étude "Dimensionnement d'un procédé de vapogazeification de biomasse" (ENSIACET 2009, Casile Magalie, Piney Damien, Rizzo Stéphanie, Sarperi Laura, Serneels Geert, encadré par Mehrdji Hemati et Marc Detournay) qui décrit notamment les modèles et le couplage de l' hydrodynamique du lit fluidisé et de la combustion du char dans le combusteur.

-L'article "modeling and simulations of drying operation in PVC powder production line : a pneumatic dryer model" (UPS, INPT, CNRS, LGC 2009_A. Aubin, R. Ansart, M. Hemati, L. Lasuye, M. Branly) qui décrit et explique le développement d'un code 1D pour le séchage de grains de PVC. Ce rapport permet la compréhension du troisième document principal qui sert de base au projet

-Le code 1D de séchage des grains de PVC. Il est le squelette a partir duquel a été développé le code de combustion. L'idée est de remplacer la réduction du rayon des grains de PVC par séchage par celle des particules de char sous l'effet de la combustion.

 

 

Organisation du travail

Le bureau d'étude s'étend sur une période de six semaines. L'organisation du travail est décrite semaine par semaine ci dessous et sert de ligne de conduite pour mener le projet. Une grosse partie de la bibliographie a été faite avant la semaine 1.

Semaine 1 :

Cette semaine sera consacrée à la compréhension du code 1D modélisant le séchage de grains de PVC, code qui existe déjà. L'implantation des modèles retenus débutera également au cours de la semaine 1.

Semaine 2 :

Ici il est question de la suite de l' implantation initialisée en semaine 1 et de l'analyse des premiers résultats obtenus.

Semaine 3 :

Cette semaine marque la moitié de la période de travail et fera l'objet d'une présentation visant à valider la cohérence des résultats. L'objectif est double : sortir des résultats qui décrivent de manière plausible le comportement du combusteur et préparer la présentation.

Semaine 4 :

Comme elle suit la "semaine de validation", l'idée ici sera d' apporter les modifications qui auront fait l'objet de discussions en fin de semaine 3 et de faire tourner le nouveau code.

Semaine 5 :

A ce stade il sera impératif d'avoir regroupés, comparés et analysés les résultats des différentes étapes du code et de sortir les données issues des modèles améliorés.

Semaine 6 :

Ultime phase du BEI, cette semaine sera consacrée à la rédaction du rapport final, à la mise à jour des pages web et à la préparation de la présentation orale.