Post on 09-Feb-2016
Les filières Biomasse Energie
François-Xavier CollardIngénieur de recherche
Master 2Biomasse Energie : Partie 4
Les voies thermochimiques
Les voies thermochimiques
PlanI. Introduction
- Thermochimie- Caractérisation de la biomasse
2
- Caractérisation de la biomasseII. La combustion III. La pyrolyse
- La pyrolyse lente- La pyrolyse flash
IV. La gazéification
BIOMASSE
Énergie : la biomasse
Procédés / filières
Énergie
3
Valorisation énergétique de la biomasse
Fermentation methanique
Extraction d’huile Pyrolyse
Fermentation alcoolique
Combustion directe
Pyrolyse
Biochimique Thermochimique
MATIERE VEGETALE
Methane
CH4
Huiles végétales
Charbon & Huiles
Ethanol
C2H5OHGazéification
Energie
CO2 + H2O
4
Introduction
ThermochimiquechimiqueThermo
= chaleur
Conversion chimique sous l’effet de la chaleurL’énergie vient de la rupture de liaisons chimiques
= chaleur
5
Introduction
Calculer la chaleur de combustion d’une mole d’éthanol liquide sachant qu’il se forme de l’eau liquide
Données :
Thermochimie
Données :Energie de liaison (kJ/mol) : C-H : 410 ; O=O : 494 ; C=O : 795; O-H : 460 ; C-C : 348 ; C-O : 356Chaleur molaire latente de vaporisation (kJ/mol) : eau : 41 ; éthanol : 42,6
Caractérisation de la biomasse
Caractérisation de la biomasse / potentiel énergétiqueFilière thermochimique
Les propriétés de la biomasse déterminent le choix du processus de conversion et toutes les difficultés opérationnelles qui peuvent apparaître. Le choix de la source de biomasse est également dépendant de la forme de l’énergie demandée
1 - Taux d’humidité
2 - Taux de cendresAnalyse 2 - Taux de cendres
3 - Taux de matières volatiles
4 - Taux de carbone fixe
5 - Teneur en constituants(cellulose, hémicellulose, lignine)6 - Pouvoir calorifique
Analyseimmédiate
7
L’échantillon est séché à l’air à une température de 105± 2 C°.Le taux d’humidité est calculé à partir de la perte de masse de l’échantillon.
Méthode pour la détermination du taux d’humidité
1 – Le taux d’humidité
Caractérisation de la biomasse
DéfinitionL’humidité (H 2O) est l’eau contenue dans le biocombustible solide qui est éliminée par chauffage à 105°C.
Le taux d’humidité est calculé à partir de la perte de masse de l’échantillon.
100OH sec%2 ×−=
humide
humide
M
MM
8
Norme : XP CEN/TS 14774-2
Inconvénients :
• La conversion thermique exige une biomasse à faible taux d’humidité (< 50%)
1 – Le taux d’humidité
En fonction de leur nature et de la saison les biomasses peuvent avoir des taux d’humidités très variable .
�Après récolte un taux d'humidité jusqu'à 95%. � Bien séchée ; taux d'humidité < 2%�Arbres sur pieds : 40 à 50 % d’humidité sur masse brute
.
Caractérisation de la biomasse
• La conversion thermique exige une biomasse à faible taux d’humidité (< 50%)
> 60 % la combustibilité de la biomasse est quasi nulle ( pas d’auto combustion)
=> séchage
• Pour des humidités trop élevées, stockage impossible (nuisance et perte de
matière),
• Elle affecte négativement le rendement énergétique
• Elle augmente le coût de récolte et de transport.
9
.
DéfinitionLes cendres (ou matières minérales MM) sont les résidus provenant du biocombustible après avoir été brûlé à l’air.
2 – Taux de cendres
Caractérisation de la biomasse
Méthode pour la détermination du taux de cendresL'échantillon est chauffé à l'air à un premier palier de 250°C puis à un second palier de 550°C. Il est maintenu à cette température jusqu'à obtention d'une masse constante.masse constante.Le pourcentage des cendres est calculé à partir de la masse du résidu après incinération.
100% ×=humide
résidu
M
MMM
Le taux de cendres influence directement le contenu énergétique disponible de la biomasse.
Norme AFNOR XP CEN/TS 14775
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3 – Le taux de matières volatilesDéfinitionLa matière volatile (MV) d’un combustible solide, est la partie du solide qui s’échappe sous forme de gaz (humidité déduite) lorsque l’on chauffe le combustible.
L’échantillon de bois est chauffé sous atmosphère inerte à une température de
Méthode pour la détermination du taux de matières volatiles
Caractérisation de la biomasse
L’échantillon de bois est chauffé sous atmosphère inerte à une température de 900 °C.Le pourcentage de matières volatiles est calculé à partir de la perte de masse de l’échantillon analysé après déduction de la perte de masse due à l’humidité.
Norme : XP CEN/TS 14774-1
100900% ×−−= °
humide
eauChumide
M
MMMMV
11
4 - Le taux de carbone fixeDéfinitionLe carbone fixe (CF) est le carbone restant après élimination de l’eau, des matières volatiles et des cendres du biocombustible solide sec.
%Carbone Fixe = 100 - %H2O - %Matières Volatiles - % Cendres
Ou %CF= 100 - %H2O - %MV - % MMCendres = matières minérales (MM)
Caractérisation de la biomasse
Le carbone fixe contientune forte teneur en carbone
fort potentiel énergétique
12
Température C H O
105 °C 48,0 6,2 45,6
700 °C 91,4 2,1 6,5
800 °C 92,8 1,4 5,8
900 °C 93,9 1,1 5,0
Analyse élémentaire de bois pyrolysé à différentes températures [1]
[1] A. Dufour, P. Girods, E. Masson, S. Normand, Y. Rogaume and A. Zoulalian, Journal of Chromatography A, 1164, (2007) 240.
Cellulose : polymère du glucose
Hémicellulose : polymère d’hexoses et pentoses
5. Teneur en constituants
Caractérisation de la biomasse
Constituants des parois cellulaires :
pentoses
Lignine : polymère d’unités phénylpropanes
13
Motif aromatiquePlus stablePlus de carbone fixe
Biomasse Lignine Cellulose Hémicellulose
Bois tendres 27 - 30 35 - 40 25 - 30
Caractérisation de la biomasse
5. Teneur en constituants
Teneur en constituants de différents types de biomasses [2]
Bois durs 20 - 25 45 - 50 20 - 25
Paille de blé 15 - 20 33 - 40 20 - 25
Plante herbacée 5 - 20 30 - 50 10 - 40
[2] P. McKendry, Bioresource Technology, 83, (2002) 47.
6. Le pouvoir calorifique
Le pouvoir calorifique supérieur (PCS)est l’énergie libérée lorsque l’on brûle la biomasse dans l’air y compris l’énergie due à l’évaporation de l’eau (chaleur latente)
Cela représente donc la quantité maximum d’énergie potentiellement récupérable d’une source de biomasse.
Caractérisation de la biomasse
d’une source de biomasse.
En pratique, l’énergie due à l’évaporation de l’eau peut difficilement être récupérée, par conséquent, c’est le pouvoir calorifique inférieur (PCI) qui devient la valeur pertinente à utiliser lorsque l’on parle de pouvoir calorifique.
PCS = PCI + chaleur latente d’évaporation de l’eau
15
6. Le pouvoir calorifique
On peut l’estimer d’après la composition chimique du combustible (C, H, O), selon la formule suivante :
PCI = 34,03 C + 121,64 H – 12,54 O [MJ/kg]
Caractérisation de la biomasse
Biomasse : moins de C et plus de O que combustibles fossilesLe PCI est aussi influencé par l’humidité et la teneur en cendres
La valeur du PCI se détermine dans une bombe calorimétrique qui mesure la quantité de chaleur libérée lors de la combustion d’une quantité précise de matière.
Méthode pour la détermination du pouvoir calorifique
16
Méthode pour la détermination du pouvoir calorifiqueDans une bombe calorimétrique une masse connue de biomasse est brûlée sous haute pression d’oxygène.
Caractérisation de la biomasse
Norme: XP CEN/TS 14918:2005
17
Caractérisation de la biomasse
Analyse immédiate de quelques biomasses [2]
Matière première C H O H2Omatières
volatiles
carbone
fixecendres
PCS
(MJ/kg)
bois 51,6 6,3 41,5 7,3 76,8 18,1 1,2 21,1
paille céréale 45,2 5,7 39,1 6,0 79,0 10,7 4,3 17,3
Analyse élémentaire Analyse immédiate
TP au LBEB
Biomasse : pouvoir calorifique faible densification énergétique
18
paille céréale 45,2 5,7 39,1 6,0 79,0 10,7 4,3 17,3
miscanthus 48,1 5,4 42,2 11,5 66,8 15,9 2,8 18,5
charbon minéral 73,1 5,5 8,7 10,0 35,0 57,0 8,0 26,2
[2] P. McKendry, Bioresource Technology, 83, (2002) 47.
• Biomasse / combustibles fossiles :• Faible teneur en carbone et forte teneur en oxygènePCI plus faible• Taux d’humidité élevéProblème / stockage et transportDéfavorable / PCI
Caractérisation de la biomasse
Intérêt des conversions thermochimiques
Défavorable / PCI
• Objectif des conversions thermochimiques :• Fournir énergie ou vecteurs énergétiques facilement exploitables (solide, liquide, gaz)• Densification énergétique • Optimisation des rendements
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Fermentation methanique
Extraction d ’huile Pyrolyse
Fermentation alcoolique
Combustion directe
Pyrolyse
Biochimique Thermochimique
MATIERE VEGETALE
Introduction
Methane
CH4
Huiles végétales
Charbon & Huiles
Ethanol
C2H5OHGazéification
Energie
CO2 + H2O
20
Les voies thermochimiques
PlanI. Introduction
- Thermochimie- Caractérisation de la biomasse
21
- Caractérisation de la biomasseII. La combustionIII. La pyrolyse
- La pyrolyse lente- La pyrolyse flash
IV. La gazéification
Lorsqu’on prépare un feu de bois, on peut observer que les
échantillons de bois passent par
Combustion
échantillons de bois passent par différentes étapes de
dégradation/conversions.
22
Température
Molécules organiques= Matières volatiles
Modèle du feu de boisLa combustion
Vapeur d’eau
SéchageRéaction homogène
O2 Réaction hétérogèneO2
23
Cendres
Modèle du feu de boisLa combustion
=> La combustion : réaction exothermique de l’oxygène de l’air avec les molécules organiques volatiles et le charbon issu de la dégradation thermique de la biomasse
CO2 + énergie +H2O
Vapeur d’eau
O2O2
24
Cendres
Matières volatiles primairesgaz condensables lourds
« goudrons »
La combustion
Combustion : Oxydations Homogène + Hétérogène
Matières volatiles second./tert.gaz permanents « légers »
CraquageCraquageCraquageCraquage
OxydationOxydationOxydationOxydation
+ O2
Craquage thermique Craquage thermique Craquage thermique Craquage thermique
Vapeur d’eau
Séchage
25
CO2 + H2O
+ Energie
OxydationOxydationOxydationOxydationRéaction homogèneRéaction homogèneRéaction homogèneRéaction homogène
OxydationOxydationOxydationOxydation
Réaction hétérogèneRéaction hétérogèneRéaction hétérogèneRéaction hétérogène
+ O2
Cendres
Oxydation homogène (des matières volatiles)
MV + O2 CO2 + H2O + Energie
Diffusion d'O / mélange
Mécanismes principaux mis en jeu
La combustion : 1) oxydation homogène avec matières volatiles
La combustion
Diffusion d'O2 / mélange
Réaction chimique
Chimie détaillée simplifiée pour CH4:
1 réaction CH + 2O CO + 2 H O + Energie2 224
2 réactions CH + O CO + 2 H O + Energie2 243
2
CO + O CO + Energie21
2 2
]].[[ 2OMVeAdt
dm TR
E
MVMV
MV
=
26
La combustion : 2) oxydation hétérogène avec le charbon
nOox
char2
Pktd
md =
Particule
O
O2
C + O2 CO2 + Energie
Réaction de surface
Sr
La combustion
Oox 2td O2
O2
Diffusion d'O2 externe et interne
Réaction chimique hétérogène
Mécanismes principaux mis en jeu
Diffusion des produits de la combustion vers l'extérieur
ηηηη Spores
27
Energie (contenue dans les gaz)
C + O2 CO2
∆ ∆ ∆ ∆ H = -32 MJ/kg
1 kg de bois (50 % C) ~ 18MJ/kg
Gaz
(C, H, O, N, S ) + Air H2O, CO2, CO, HAP, NOx, SO2,… , N2
La combustion : les produitsLa combustion
(C, H, O, N, S ) + Air H2O, CO2, CO, HAP, NOx, SO2,… , N2
CO, HAP mauvaise combustion
SO2
NOx
NOx combustible
NOx thermique
Particules en suspension(fines)
Cendres28
L’excès d’air : paramètre fondamental
Fractions molaires
La combustion
Air strictement nécessaire pour la combustionQuantite réelle d‘air de combustion
λ=
29
L’excès d’air : paramètre fondamental
Excès d’air supérieur à 1
- Peu de polluants
- Température plus faible
- Gros débits à traiter
La combustion
Exemple : le moteur de type Diesel, la turbine à gaz
Excès d’air inférieur à 1
- Formation de polluants et d’imbrûlés
- Diminution de la température de combustion
Exemple : foyer étouffé ou bien la gazéification!
30
FoyerCombustible
Air
Cendres
Energiethermique- gaz chaud -
ChaudièreFumées
Eau /vapeur
Energiethermique
Production chaleur
Valorisation
La combustion
vapeur thermique- eau/vapeur-
Turbine/moteur
Energiemécanique
- force -
AlternateurEnergieélectrique
Production électricité
31Attention aux rendements / dégagement CO2
Les voies de valorisation
Chaudière
Rendement électrique global :moteur vapeur : 10-15 %turbine vapeur : 20-30 %
Chaleur (gaz)
COMBUSTION
Combustion
Electricité
Moteur à vapeur
Alternateur
Chaleur Chaleur
Chaleur
Turbine à vapeur
32
Les voies thermochimiques
PlanI. Introduction
- Thermochimie- Caractérisation de la biomasse
33
- Caractérisation de la biomasseII. La combustion III. La pyrolyse
- La pyrolyse lente- La pyrolyse flash
IV. La gazéification
Molécules volatiles
Température
=> La pyrolyse : conversion thermochimique sans oxygène
La pyrolyse
Vapeur d’eauSéchage
Charbon
34
Molécules volatiles
Huiles
Gaz
=> La pyrolyse : conversion thermochimique sans oxygène
La pyrolyse
Vapeur d’eau
Séchage Charbon
Gaz
35
La pyrolyse
n Décomposition thermique de matière organique en absence d’oxygènen Trois produits : solide, liquide et gaz
Avantages:
Définition
n Transformations de la biomasse en produits à haute valeur ajoutée (énergie ou chimique) plus facilement transportables
Biomasse 18 MJ/kg
Charbon 33 MJ/kg
Huile 25 MJ/kg
36
Gaz combustible
Le solide : le charbon ou char
Composition chimique
Le gaz
Morphologie
Riche en Carbone
et faibles C
O
C
H
Densité apparente
Porosité
les produitsLa pyrolyse
Le gazGaz incondensables: CO, CO , H , CH , hydrocarbures2 42
H2O
37
Goudrons (huile de pyrolyse) :
- Liquide à température ambiante :
- couleur brun / noir – tâches tenaces
- très forte odeur
- sensible à la lumière, +/- stable
- composés volatiles, dont certains sont toxiques
Le liquide ou gaz condensable
La Pyrolyse La PyrolyseLa pyrolyse
Les goudrons /huile
38
+ benzeneHAP…
Matières volatiles Jusqu’à 85 % de la masse totale
Energie
Résidu carboné (Charbon ou char)
Dégradation thermique en l'absence d'Oxygène
La pyrolyse
non condensables
(CO, CO2, H2,CH4, …)
condensables(eau, goudrons)
Charbon MatièresVolatiles
Vitesse de chauffe Température finalePression
39
708090
100
Masse du résidu / TempératureExemple : pyrolyse d’eucalyptus (Stage Mspe 2010)
Evolution de la masse du résidu solide = Rendement en charbon (%)
La pyrolyse
0102030405060
0 100 200 300 400 500 600 700
%
Température (°C)39
Etapes de la pyrolyseExemple : pyrolyse d’eucalyptus
1
1,5
2
2,5
%/m
in
Perte de masse (%/min)
Perte
Conversion des hémicelluloses
Conversion de la cellulose
La pyrolyse
-0,5
0
0,5
1
0 100 200 300 400 500 600 700
%/m
in
Température (°C)
Perte d’eau
Lignine : - Conversion en plusieurs étapes- Perte de masse faibleRendements en charbon élevés
RéactivitéHémicellulose > Cellulose > Lignine
40
0
2,5
5
7,5
mW
Phase 1EndothermiqueConsommation
d’énergie
La pyrolyse
Echanges énergétiques(Direct Scanning Calorimetry)
-10
-7,5
-5
-2,5
0 100 200 300 400 500 600 700
mW
Température (°C)
Phase 2Exothermique
Dégagement de chaleur
Conversion accélérée
Evaporation eau
41
0
20
40
60
80
100
%
0
2,5
5
7,5
Masse du résidu solide (%)
Echanges énergétiques
La pyrolyseEvolution de la pyrolyse avec la température
Exemple de la pyrolyse d’eucalyptus
00 100 200 300 400 500 600 700
Température (°C)
-10
-7,5
-5
-2,5
0
0 100 200 300 400 500 600 700mW
Température (°C)
Perte de masse (%/min)
Phase 1Consommation
d’énergie
Phase 2Dégagement de chaleur
Conversion accélérée
Perte d’eau
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 100 200 300 400 500 600 700
%/m
in
Température (°C)
Perte de masse
42
Rendements / Température maximale
La pyrolyse
40
60
80
100
%
0
20
0 100 200 300 400 500 600 700Température (°C)
Quand la température augmente :- le rendement en charbon diminue- le taux de carbone fixe augmente
la densité énergétique augmente
43
Si vitesse rapide (> 103 °C/s)
n Si vitesse faible (quelques °C/min.)=> Pyrolyse lente ou carbonisation
• Permet d’optimiser la production de charbon de bois rendement massique 15 à 25 %
• Procédés artisanaux, industriels et/ou semi industriels
Influence de la vitesse de chauffe des particules
La pyrolyse
n Si vitesse rapide (> 103 °C/s)=> Pyrolyse flash (huile)
Importance des transferts thermiques = granulométrie du solide
45
• Permet d’optimiser la production d’huile rendement massique 70 à 80 %
• Domaine récent (15 ans d’expérience)• État de R&D
La pyrolyse lente
46
Exemple : Carbonisation
1000 Kg Bois sec
=>Carbonisation : production charbon de bois
200-250 KgCharbon de bois
La pyrolyse lente
350-400 KgMolécules organiques
300-350 KgGaz incondensable
47
Rendements / matière première
La pyrolyse lente
Constituant Rendement en charbon
Cellulose < 10 %
Hémicellulose 20 - 30 %Hémicellulose 20 - 30 %
Lignine > 40 %
Teneur en lignine élevée Rendement élevé
48
Caractérisation du charbon
• Pouvoir calorifique
• Analyse immédiateNorme EN 1860-2
Comme la biomasse => combustible solide sauf pour la teneur en cendres
La carbonisation
pour la teneur en cendres • Taux d’humidité (H 2O)• Taux de matières volatiles (MV)• Taux de cendres (MM) : L'échantillon est chauffé à l'air à un
premier palier de 500°C puis à un second palier de 710°C. Il est maintenu à cette température jusqu'à obtention d'une masse constante.
• Taux de carbone fixe (CF)
49
Taux de carbone fixe = 100 – (H20 + MV + MM)
Carbone : 50 %Hydrogène: 6%
Bois Charbon
Carbone, cendres
La carbonisation
n Transformer de la biomasse en un produit à plus haute valeur énergétique
Hydrogène: 6%Oxygène : 44 % Oxygène, Hydrogène
50Bois sec 18 400 J/g Charbon 29 000 - 32 000 J/g
PCI
Analyse immédiate Bois Charbon de bois
Humidité 20 5
Matières volatiles 62 < 10
Carbone fixe 17 > 80
Cendres 1 > 5
Catégorie A: taux de carbone fixe >80 ±2 %
Catégorie B: taux de carbone fixe <78 %
La carbonisation
Ancienne norme française
Contient encore des molécules organiques volatiles
51
Quelques chiffres (2000)
• Combustible domestique privilégié de certaines grandes agglomérations :
Dakar : 200 000 t/anAbidjan : 300 000 t/an
Le charbon
• Consommation France : 60 000 t/an (50% production nationale)
• Production Brésil : 8 000 000 de t/an
52
REGAIN INTERET A ECHELLE INDUSTRIELLE AVEC TAXES/CREDITS CO 2
Avantages du charbon :
n Transport : à poids égal 2 fois plus d’énergie que le bois
n Conditionnement : mise en sac
Le charbon
n Combustion régulière qui dégage peu de fumée
n Réducteur en métallurgie (fabrication de la fonte)
n Adsorbant (charbon actif)
53
Procédés de fabrications
n par combustion partielle
3 principes en fonction du mode de chauffage :
Le charbon
n par chauffage externe (cornue)
n par contact des gaz chauds de pyrolyse
54
-Meules
n Procédés par combustion partielle:
C’est la combustion d’une partie de la charge de bois qui fournie l’énergie nécessaire au procédé.
Le charbon
-Meules-Fosses-Fours maçonnés-Fours métalliques
55
Meules : tas de bois construit autour d’un mat central recouvert de branchage et de terre
n Procédés par combustion partielleLe charbon
Deux types : Meule traditionnelleMeule casamançaise améliorée
56
n Procédés par combustion partielle
Meule traditionnelle
Le charbon
57
n Procédés par combustion partielle
Meule casamançaise améliorée
Le charbon
58
n Procédés par combustion partielle
Meule casamançaise améliorée
Le charbon
59
n Procédés par combustion partielle
Meule casamançaise améliorée
Le charbon
60
n Procédés par combustion partielle
Meule casamançaise améliorée
Le charbon
Tirage inversé: Les fumées circulent dans la charge avant d’être évacuées=> Conduite plus facile=> Diminution de la durée de carbonisation=> Carbonisation homogène
61
Particularités des meules:
n Procédés par combustion partielle
• Fragile• Exigent un grand savoir faire• Traiter de grands volumes
Le charbon
• Traiter de grands volumes• Pièces de gros diamètre
62
Fosse : cavité creusée dans la terre remplie de bois et recouverte de terre ou de tôle.
n Procédés par combustion partielleLe charbon
63
n Procédés par combustion partielle
Fosse
Le charbon
64
n Procédés par combustion partielle
Fosse
Le charbon
65
Particularités des fosses :
n Procédés par combustion partielle
•Stables•Facile à maîtriser
Le charbon
•Facile à maîtriser•Exigent transporter la matière première•Limiter par le volume de la fosse
66
Fours maçonnés: fours en briques de différentes formes (cylindrique, parallélépipédique …)
n Procédés par combustion partielleLe charbon
67
n Procédés par combustion partielle
Fours maçonnésType Brésilien Beehive
Le charbon
68
n Procédés par combustion partielle
Fours maçonnés
Le charbon
69
n Procédés par combustion partielle
Fours maçonnés:
Type Missouri
Le charbon
Type Missouri
70
Particularités des fours maçonnés:
n Procédés par combustion partielle
•Stables•Très facile à conduire•Longue durée de vie
Le charbon
•Longue durée de vie•S’accommodent aux conditions climatiques défavorables•Chargement et déchargement longs et contraignants•Obligent le transport de la matière première
71
Fours métalliques: caissons métalliques transportables
n Procédés par combustion partielleLe charbon
72
n Procédés par combustion partielle
Fours métalliquesType Bonnechaux
Le charbon
73
n Procédés par combustion partielle
Fours métalliquesType Magnien
Le charbon
74
Capacité : 1500 t/an
n Procédés par combustion partielle
Fours métalliques
Le charbon
75
Particularités des fours métalliques :
n Procédés par combustion partielle
• Stables• Facilement déplaçable • Très facile à conduire
Le charbon
• Très facile à conduire• Longue durée de vie
76
Procédés de fabrications
n par combustion partielle
3 principes en fonction du mode de chauffage :
Le charbon
n par chauffage externe (cornue)
n par contact des gaz chauds de pyrolyse
77
Particularités :
n Procédés par chauffage externe
•Matière première placée dans une enceinte close•Source de chaleur externe (gaz de pyrolyse ou autre)•Très utilisée dans les années 50 pour récupérer les
Le charbon
•Très utilisée dans les années 50 pour récupérer les huiles de pyrolyse pour la chimie
78
n Procédés par chauffage externe
Type Cornues ACC
Le charbon
Combustion soit de bois soit des gaz de pyrolyse79
Procédés de fabrications
n par combustion partielle
3 principes en fonction du mode de chauffage :
Le charbon
n par chauffage externe (cornue)
n par contact des gaz chauds de pyrolyse
80
86
Particularités :
n Procédés par contact des gaz chauds de pyrolyse
•Procédés industriels
Le charbon
•Procédés industriels •Alimentation en continue•Gaz de pyrolyse (après incinération ou non) sont réinjectés dans le four
82
88
Les procédés pyrolyse flash : biomasse en huile
Biomasse
Rendement : 70%
La pyrolyse flash
Huilecombustible
Rendement : 70%
84
Conditions opératoires
- Vitesse de chauffage rapide (>500°C/s)
- Température 500°C
n Procédés à lit fluidisé
La pyrolyse flash
Bois
85
n Les procédés rotatifs
Capacité : 200 kg/heure
Sable &charbon
La pyrolyse flash
Biomasse
Gaz dePyrolyse
Sable chaut
Axe
86
Sable chaud
Caractéristiques des huiles
BiomasseHuiles de Pyrolyse
Gazole Fioul Lourd
Masse volumique Kg/m3 550 1200 850 960
Composition % C 50 48.5 86.3 86.1
% H 6 6.4 12.8 11.8
% O 44 42.5 - -
% S - - 0.9 2.1
La pyrolyse flash
% S - - 0.9 2.1
Viscosité (cSt à 50°C) 13 2.5 350
Point d’éclair (°C) 66 70 100
Point de congélat° (°C) -27 -20 21
Cendres (% m) < 5 0.13 <0.01 0.03
Soufre (% m) - 0 0.15 2.5
Eau (% m) 20-60 20.5 0.1 0.1
PCI (MJ/kg) 18 17.5 42.9 40.7
Acidité (pH) - 3 - -
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Valorisation des huiles
•Extraction Co-valorisation chimique (haute valeur ajoutée)
•Combustion en chaudièrePb: Viscosité, acidité, instabilité � qq modifs (manutention, allumage, matériaux, ….)
•Combustion directe en moteurs dieselPb : Corrosion, cokéfaction, auto-allumage
La pyrolyse flash
Pb : Corrosion, cokéfaction, auto-allumage
•Combustion dans turbine à gaz NON (dépôt et particules)
•Filière biocarburants (raffinage)Hydrocraquage (désoxygénation) � complexe et couteux !!
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R & D
Les voies de valorisation
Solide : charbon Liquide : huilesgaz
Activation Combustion Extraction Raffinage
Conclusion sur la pyrolyse
Charbon de bois Charbon actif
Dépollution des eaux/fuméeMatériau catalytique
Chaleur Produits chimiques Carburant
Electricité/Chaleur
Transport !!
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Les voies thermochimiques
PlanI. Introduction
- Thermochimie- Caractérisation de la biomasse
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- Caractérisation de la biomasseII. La combustion III. La pyrolyse
- La pyrolyse lente- La pyrolyse flash
IV. La gazéification
Valorisation énergétique de la biomasse
Fermentation methanique
Extraction d ’huile Pyrolyse
Fermentation alcoolique
Combustion directe
Pyrolyse
Biochimique Thermochimique
MATIERE VEGETALE
Methane
CH4
Huiles végétales
Charbon & Huiles
Ethanol
C2H5OHGazéification
Energie
CO2 + H2O
91
biomasse sèche
Décomposition à haute température en présence d’un gaz
partiellement oxydant (02 et/ou H2O et/ou CO2)
Gazéification
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O2 et/ou H2O Gaz de gazéification
CO + H2 + CH4
Matières volatiles
Gazéification
OxydationOxydationOxydationOxydationRéaction Réaction Réaction Réaction homogènehomogènehomogènehomogène
(combustion)(combustion)(combustion)(combustion)
+ gaz oxydantCraquage thermique Craquage thermique Craquage thermique Craquage thermique (pyrolyse)(pyrolyse)(pyrolyse)(pyrolyse)
=> oxydation ménagée de la biomasse pour la transformer en gaz combustible
COCOCOCO2222 + H+ H+ H+ H2222O + ChaleurO + ChaleurO + ChaleurO + Chaleur
Vapeur d’eau
Séchage
Char
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CH4 +CO + H2GazéificationGazéificationGazéificationGazéification
Oxydation ménagéeOxydation ménagéeOxydation ménagéeOxydation ménagée
Réaction hétérogèneRéaction hétérogèneRéaction hétérogèneRéaction hétérogène
Cendres
Principe de la gazéification
Exemple de la gazéification à l’oxygène
Gazéification
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+O2
La gazéification
n Décomposition thermique à haute température en présence
d’un gaz réactif (O2, H2O) en sous stœchiométrie
n Obtention d’un gaz
=> oxydation ménagée de la biomasse
n Obtention d’un gaz
- Combustible : moteur, turbine,...
- Synthèse : méthanol, réaction Fischer-Tropsch
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Oxydation des matières volatiles H2O et CO2Réaction hétérogène de H2O et/ou CO2 sur le charbon
H2O
H2O
CO
H2
CO
∆ Η
∆ Η
~10,9 MJ/kgC + H2O CO + H2
C + CO 2CO
La gazéification
CO2
H2
CO ∆ Η~14,3 MJ/kg
C + CO2 2CO
EnergieRéactifs H2O ; CO2Réactant
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2 2C H O CO H+ → + Gazéificationà la vapeur
MV + → CO2 + H2O
Pyrolyse
1er Pyrolyse et Combustion incomplète
2nd Gazéification – Différentes réactions possibles
La gazéification
Sous stœchiométrie =
Pas assez de réactif oxydant
La gazéification
Gaz oxydant
2 2C H O CO H+ → +
2 2C CO CO+ →
2 2 2CO H O CO H+ → +
2 4 23CO H CH H O+ → +
2 4C H C H+ →
Gazéificationà la vapeur
Réaction de Boudouard
Réformage vapeur
Réaction du "gaz à l'eau"
Réaction d'hydrogénation (méthanisation)2
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Combustion
C + 0.5 O2 ↔ CO -110.5 kJ/mol (1) Très rapide
C + O2 ↔ CO2 -393.5 kJ/mol (2)
A faible température se déroule essentiellement la réaction (2)
Gazéification à la vapeur
La gazéification
exothermique
Energiechaleur
Gazéification à la vapeurC + H2O ↔ CO + H2 + 131 kJ/mol Rapide
Gazéification au CO2C + CO2 ↔ 2 CO + 172 kJ/mol Lente
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endothermique
L'étape de réduction : essentiellement 2 réactions hétérogènes (C-H2O et C-CO2 )
L'étape de réduction est endothermique
Cinétique : plus lente que l'oxydation à l'oxygène
De l'ordre 50 fois plus lentepour une gazéification à H2O
150 fois plus lente CO
La gazéification
De l'ordre150 fois plus lentepour une gazéification à CO2
Mécanismes mis en jeu
Tous ceux mis en jeu en combustion
+ les réactions hétérogènes de gazéification
Souvent limitantes
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Gaz combustible
CO, H2, CH4, CnHm, H2O, CO2, goudrons, N2
PCI
Gazéification à l'air : ~ 3-7 MJ/Nm3
Gazéification à l'oxygène :
Gazéification à la vapeur :~ 9-15 MJ/Nm3
Les produitsLa gazéification
Particules (fines)
Cendres
Energie ( gaz chaud)
100
Goudrons
Plus d'une centaine de composés :
- Sucres (lévoglucosane)
- Phénols (phénol, crésol)
- Guaïacols (guaïacol, créosol)
- Furanes
- Composés aromatiques (benzène, toluène, HAP, aromatiques azotés)
Les produitsLa gazéification
- Acides (acétique, formique)
- Alcools (méthanol, éthanol)
- Aldéhydes et Cétones (acétone, formaldéhyde)
Principal verrou pour le développement de la gazéification :• Encrasse les moteurs ou catalyseur • Obligation de laver les gaz (refroidir)• Unité de lavage aussi grosse que le gazogène
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Avantages
n Un seul produit relativement standard
n Bon rendement de conversion
n Nombreuses applications, notamment idéal pour la production d’électricité
La gazéification
production d’électricité
Inconvénients
n Utilisation sur le lieu de production
n Nécessite d’être traité
102
Les voies de valorisation
Turbine à GazMoteur à gaz(combustion interne)
Chaudière
Gazéification en cycle combiné (IGCC)
~ 50 % Gaz combustible
La gazéification
Electricité (et chaleur)
Moteur/turbinevapeur
(combustion interne)
15-20 % ~ 25-30 % 30-40 %
103
Gaz combustible
Gaz de synthèse CO – H2
Les voies de valorisationLa gazéification
Pile à combustible
Hydrocarbures de Synthèse=
Biocarburant 2nd génération
Méthanol
Fischer Tropsch
Electricité
104
Fischer Tropsch Process
(2n+1) H2 + n CO CnH(2n+2) + n H2O
La gazéification
Carburant de synthèse
111
Gaz de synthèse
Fischer Tropsch
Hydrocarbures
Résidus agricoles et forestiers
Cultures dédiées (croissance rapide)
1 - Pyrolyse
2 - Gazéification
Mélange au
gazole
Procédés à lit fixe
Contre courant (updraft)
Co-courant (downdraft)
Lits étagés
Procédés
Viking Gasifier, DTU, Dk250 KWth
La gazéification
Procédés à lits fluidisés
denses
circulants
entraînés
CHP-Plant Gussing, AutricheDouble lit flluidisé atmosphérique 8 MW : 2 MWel / 4,5 MWth
106
Lits fixes à contre courant "updraft"
SE C H A G E
P Y R O LY SE
G A Z
B IO M A SS E
R E D U C T IO N
Lits fixes à co-courant "downdraft"
SECHAGE
PYROLYSE
OXYDATION
BIOMASSE
Procédés à lit fixe
La gazéification
O X Y D A T IO N
A IR
R E D U C T IO N
+ Biomasse humide < 50 %- Teneur importante en goudrons- Risque de condensation
GAZ
AIRAIR
REDUCTION
OXYDATION
+ Bonne conversion- Faible humidité solide (< 20 %)
+ Technologie simple et robuste
107
Xylowatt, Belgique80-2000 KWth
Procédés à lit fixe à co-courant
La gazéification
108
Xylowatt, Belgique80-2000 KWth
Procédés à lit fixe à co-courant
La gazéification
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Viking Gasifier, DTU, Dk250 KWthProcédés à lit étagé
La gazéification
110
Procédés à lit étagéViking Gasifier, DTU, Dk250 KWth
La gazéification
111
GAZ
GAZ
+ Bon contrôle des températures et des vitesses réactions
Lits fluidisés
La gazéification
AIR
CENDRE
BIOMASSE
des vitesses réactions+ Bon contact gaz/solide- Particules dans les gaz
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Valorisation énergétique de la biomasse
Fermentation methanique
Extraction d’huile Pyrolyse
Fermentation alcoolique
Combustion directe
Pyrolyse
Biochimique Thermochimique
MATIERE VEGETALE
Methane
CH4
Huiles végétales
Charbon & Huiles
Ethanol
C2H5OHGazéification
Energie
CO2 + H2O
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I – Séchage de la biomasse
1) Dans une plantation d’eucalyptus, on coupe 60 stères de bois pour alimenter en énergie
les foyers de la capitale. Ce bois a un taux d’humidité de 50%. Déterminer le PCI du bois et
la quantité maximale d’énergie récupérable à partir des 60 stères.
Données :
PCI anhydre = 20500 J/g
E : Chaleur de condensation de l’eau = 2511 J/g
TD Thermochimie
Econd : Chaleur de condensation de l’eau = 2511 J/g
H : teneur en humidité de l’échantillon en %
Masse volumique du bois : 800 kg/m3
2) On envisage de sécher le bois avant de le transporter. En saison sèche, après 3 mois à
l’air libre, le taux d’humidité du bois est passé à 15%. En déduire le nouveau PCI du bois et
la quantité maximale d’énergie récupérable à partir des 60 stères.
II – Carbonisation
On envisage de transformer le bois en charbon avant le transport. On
carbonise 60 stères de bois sec (15 % d’humidité) par la méthode de la
meule casamançaise. On obtient un rendement de 25 % de charbon.
Déterminer la masse de charbon obtenue et la quantité maximale
d’énergie récupérable à partir des 60 stères.
Données : PCI charbon = 31 MJ/kg
TD Thermochimie (suite)
Données : PCI charbon = 31 MJ/kg