Pyrolyse flash à haute température de la biomasse ligno-cellulosique et de ses composés: production de gaz de synthèse.

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Couhert, Carole (2007) Pyrolyse flash à haute température de la biomasse ligno-cellulosique et de ses composés: production de gaz de synthèse. Doctorat Energétique, CEP - Centre Energétique et Procédés, ENSMP p.206.

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Résumé

La pyrolyse est la première étape de tout traitement thermique de la biomasse et conditionne la formation de gaz de synthèse pour la production d’électricité, d’hydrogène ou de carburants liquides. L’objectif de ces travaux est d’établir une relation entre la composition d’une biomasse et ses rendements en gaz de pyrolyse. Nous étudions la pyrolyse flash de façon expérimentale et fixons les conditions opératoires qui maximisent les quantités de gaz tout en visant un régime intrinsèque (particules d’environ 100 μm) : température de 950°C et temps de séjour d’environ 2 s. Puis nous tentons de développer un outil de prévision des rendements en gaz d’une biomasse quelconque en fonction de sa composition, applicable dans cette situation où l’équilibre thermodynamique n’est pas atteint. Nous montrons qu’une loi d’addition ne permet pas de corréler les rendements en gaz d’une biomasse avec les fractions massiques de cellulose, d’hémicellulose et de lignine contenues dans cette biomasse. Plusieurs explications sont proposées et investiguées une à une : différence de comportement pyrolytique d’un même composé selon la biomasse de laquelle il est extrait, interactions entre composés et influence de la matière minérale. En vue d’une application industrielle, nous étudions la pyrolyse de particules de tailles millimétrique et centimétrique, et réalisons une simulation numérique des réactions de reformage des gaz de pyrolyse. Cette simulation montre que le choix de la biomasse affecte largement les quantités de gaz de synthèse obtenues.

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Table des Matières

INTRODUCTION

CHAPITRE I : BIOMASSE ET PRODUCTION D’ENERGIE

1 Introduction

2 La biomasse

2.1 Définition

2.2 Composition élémentaire de la biomasse

2.3 Composés de la biomasse ligno-cellulosique

2.3.1 La cellulose

2.3.2 Les hémicelluloses

2.3.3 La lignine

3 Valorisation énergétique de la biomasse

3.1 Contexte

3.2 La biomasse : source d’énergie

3.3 Gisements de biomasse

3.4 Les différentes filières de conversion énergétique de la biomasse

3.5 Les vecteurs d’énergie

3.5.1 Les gaz de gazéification

3.5.2 Les solides carbonés (chars) issus des procédés de traitement thermochimique de la biomasse

3.5.3 Le biogaz

3.5.4 Les biocarburants

3.5.5 L’hydrogène

4 Procédés de pyrolyse et de gazéification

4.1 Procédés de pyrolyse rapide

4.2 Procédés de gazéification associés à des vitesses de chauffage élevées

4.3 Procédés de pyro-gazéification à deux étages

5 Conclusions

CHAPITRE II : LA PYROLYSE ET LA GAZEIFICATION : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

1 Introduction

2 La pyrolyse

2.1 Définitions et généralités

2.2 Influence des paramètres opératoires sur les produits de la pyrolyse rapide

2.2.1 Les produits de la pyrolyse rapide

2.2.2 Influence de la température

2.2.3 Influence de la vitesse de chauffage

2.2.4 Influence de la taille des particules

2.3 Schémas réactionnels de pyrolyse

2.3.1 Décomposition de la biomasse comme un seul élément homogène

2.3.2 Décomposition de la biomasse en fonction de ses constituants

2.3.3 Décomposition de la biomasse en groupements fonctionnels

3 La gazéification

3.1 Définitions et généralités

3.2 Influence des paramètres opératoires sur les produits de la gazéification

3.2.1 Influence de la température

3.2.2 Influence de l’excès d’air

3.2.3 Influence du rapport vapeur / biomasse

3.2.4 Influence de la taille des particules

4 Influence de la composition de la biomasse sur les produits

de pyrolyse et de gazéification

4.1 Effet de la composition de la biomasse en cellulose, hémicellulose et lignine

4.1.1 Pyrolyse de la biomasse et de ses composés en ATG

4.1.2 Pyrolyse et gazéification de la biomasse et de ses composés dans des dispositifs expérimentaux autres que l’ATG

4.2 Effet de la matière minérale

4.2.1 Imprégnation de la biomasse

4.2.2 Lavage de la biomasse

5 Conclusions

CHAPITRE III : DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX ET SOLIDES UTILISES

1 Introduction

2 Réacteur à Flux Entraîné

2.1 Description générale

2.2 Alimentation en solide

2.3 Préchauffage de l’écoulement gazeux

2.4 Le four

2.5 Dispositifs d’échantillonnage

2.5.1 La canne d’échantillonnage

2.5.2 La canne « échangeur »

2.6 Détermination des temps de séjour

2.6.1 Temps de séjour du gaz

2.6.2 Temps de séjour du solide

3 Four tubulaire

3.1 Description

3.2 Protocoles expérimentaux

4 Analyseurs de gaz

5 Biomasses et composés utilisés

5.1 Sélection des biomasses et des composés utilisés et compositions chimiques

5.1.1 Composition en cellulose, hémicellulose et lignine

des différentes biomasses

5.1.2 Analyse immédiate et analyse ultime

5.2 Préparation de la tranche granulométrique utilisée

5.2.1 Les composés purs

5.2.2 Les biomasses

5.3 Préparation des mélanges de composés

5.4 Préparation du hêtre « lavé » et du hêtre « imprégné »

6 Conclusion

CHAPITRE IV : PREVISION DES RENDEMENTS EN GAZ D’UNE BIOMASSE LIGNO-CELLULOSIQUE EN FONCTION DE SA COMPOSITION

1 Introduction

2 Détermination des conditions opératoires

2.1 Influence de la température

2.2 Influence du temps de séjour

2.3 Influence de la vitesse de chauffage

2.4 Influence du débit de solide injecté

2.5 Influence de l’humidité du solide

2.6 Influence de la taille des particules

2.7 Synthèse des conditions opératoires de pyrolyse

3 Pyrolyse de biomasses ligno-cellulosiques et prévision des rendements en gaz

3.1 Composition de la phase gaz

3.2 Recherche d’une corrélation simple entre les rendements en gaz et la proportion de C, H et O dans les biomasses

3.3 Recherche d’une corrélation simple entre les rendements en gaz et la proportion de cellulose, hémicellulose et lignine dans les biomasses

4 Conclusions

CHAPITRE V : VERS L’IDENTIFICATION DE MECANISMES INFLUENCANT LA PYROLYSE DE LA BIOMASSE

1 Introduction

2 Pyrolyse de composés d’origines diverses

2.1 Les celluloses

2.2 Les hémicelluloses

2.3 Les lignines

2.4 Comparaison des rendements en gaz de composés d’origines diverses

3 Interactions entre composés

3.1 Pourquoi pyrolyser un mélange simple et un mélange intime?

3.2 Pyrolyse de mélanges de trois composés

3.3 Pyrolyse primaire de mélanges de trois composés

3.4 Pyrolyse de mélanges de composés deux à deux

4 Effet de la matière minérale

4.1 Introduction

4.2 Effet du lavage du bois sur les rendements en gaz

4.3 Effet de l’ajout de cendres au bois sur les rendements en gaz

4.4 Conclusions sur l’effet de la matière minérale

5 Conclusions

CHAPITRE VI : VERS L’APPLICATION INDUSTRIELLE

1 Introduction

2 Pyrolyse de particules de biomasse de taille millimétrique et centimétrique

2.1 Introduction

2.2 Evolution de la quantité de produits de pyrolyse en fonction de la taille des particules

2.2.1 Pourquoi ne pas réaliser les expériences de pyrolyse

des fines particules dans le four tubulaire horizontal ?

2.2.2 Rendements en gaz et en chars de particules de hêtre de tailles différentes

2.2.3 Vérifications expérimentales

2.2.3.1 Le sac d’échantillonnage a t’il un impact sur l’analyse des gaz ?

2.2.3.2 Les particules de tailles différentes proviennent-elles d’une essence de hêtre similaire ?

2.3 Conclusions

3 Valeur énergétique des gaz avant et après vaporeformage autotherme

3.1 Introduction

3.2 Pouvoir calorifique des gaz de pyrolyse « bruts »

3.3 Valeur énergétique du gaz après reformage

3.3.1 Introduction

3.3.2 Définitions et conditions adoptées

3.3.2.1 Reformage

3.3.2.2 Réaction de Water Gas Shift (WGS)

3.3.3 Conditions communes aux simulations

3.3.4 Effet de la taille des particules

3.3.5 Influence du type de biomasse utilisé

3.4 Conclusions

4 Conclusions

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

ANNEXE 1 : Programme Matlab : Recherche de composés théoriques

ANNEXE 2 : Logiciel DSMOKE

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