mémoire de fin d'étude_Dimitri KABORE_version Final Corrigé

ETUDE ET OPTIMISATION D’UN GAZIFIEUR A COQUES D’ANACARDE

Mémoire pour l’obtention du diplôme de Master 2 en Energie

Présenté par KABORE W Serge Dimitri

2012

Encadreurs:

Dr Yohan RICHARDSON Chercheur au LBEB

William ILBOUDO

Directeur général de ISOMET


KABORE W Serge Dimitri / Master 2 ENERGIE-2iE/ 2012 Page 1

DEDICACE

Je dédie ce travail à mes très chers parents, à ma sœur Léaticia et à mon frère Boris

pour leur amour et leur soutien. Je n’oublie pas non plus mes meilleurs amis,

Christian, Steve John et Patrice.



REMERCIEMENT

Je remercie Mr Williams Ilboudo, pour la confiance qu’il m’a accordée en m’accueillant dans son

entreprise ISOMET. Je tiens aussi à le remercier pour les moyens qu’il a mis en ma disposition

pour me permettre d’accomplir ce travail.

Je remercie sincèrement le Dr Yohan Richardson, chercheur au Laboratoire de Biomasse Energie

et Biocarburant (LBEB-2IE), pour m’avoir apporté son aide précieux en logistique et conseils et

aussi pour avoir accepté de diriger et d’examiner mon travail. Puisse-t-il trouver ici le

témoignage de ma profonde gratitude.

Je remercie le DR Joël Blin, responsable du Laboratoire Biomasse et Energie et Biocarburant,

pour m’avoir avoir accueilli dans son laboratoire et permis de réaliser les travaux pour mon

mémoire.

J’exprime ma profonde gratitude à tout le personnel du LBEB, en particulier Mr Odilon

CHANGOTADE et Mr TANOH Tchini Sévérin pour l’assistance qu’ils m’ont apporté durant mes

travaux au laboratoire.

Je remercie, toute l’équipe technique d’ISOMET, pour leur collaboration sans faille et l’accueil

chaleureux qu’ils m’ont réservé.

Je remercie mon frère et ami Christian BATIONO pour m’avoir offert un logis durant mon séjour

à Kamboinsé.

Je remercie l’ensemble d’enseignant de l’UTER GEI du 2iE, pour tout le savoir qu’ils m’ont

transmis.

Je remercie le président du jury et l’ensemble de membre du jury pour avoir accepté de juger ce

travail.



RESUME Cette étude a eu pour objectif d’étudier et d’optimiser la gazéification à l’échelle pilote de coques

d’anacardes pour la production de chaleur, directement utilisable dans les procédés de

transformations de noix d’anacardes des unités semi-industrielles. Dans un premier temps, un

gazéifieur à coques d’anacardes a été conçu et fabriqué pour servir de prototype d’essai afin de

tester les performances de la conversion thermochimique des coques d’anacardes en énergie

thermique. Les tests de gazéification réalisés ont permis de mettre en évidence que l’état

d’encrassement des conduites de gaz connectées au brûleur, le débit d’air à l’entrée du réacteur

contrôlant le ratio d’équivalence et l’humidité des coques sont des paramètres déterminants sur

les performances énergétiques du gazéifieur. Dans les conditions optimales de fonctionnement

que nous avons identifiées, le gazéificateur à coques d’anacarde produit une puissance

thermique maximale d’environ 32,12 KW et a un rendement thermique maximal de 38,8%. Sur

la base de cette première phase d’expérimentation, des modifications dans la conception du

gazéifieur ont été proposées dans le but d’améliorer ses performances en termes de rendement

massique et thermique, et de faciliter son fonctionnement et sa maintenance. Ce deuxième

prototype de gazéifieur sera caractérisé et installé dans les unités semi-industrielles de

transformation de noix d’anacardes de WOUOL à Dakoro.



ABSTRACT This work aimed at studying and optimizing the pilot-scale gasification of cashew nut shells to

produce heat, directly usable in the transformation processes of cashew nuts in semi-industrial

units. A cashew nuts shells gasifier was first designed and constructed to serve as a prototype to

test the performance of the thermochemical conversion of cashew shells into thermal energy.

The gasification tests performed helped to highlight the main parameters affecting the

performances of the gasifier. These parameters are the state of clogging of pipes connected to

the gas burner, the air flow at the reactor input that controls the equivalence ratio and the hulls

moisture. With the optimum operating conditions that we have identified, the gasifier produced

a thermal power of up to 32.12 kW and a thermal efficiency of up to 38.8%. Based on this first

experimental phase, relevant changes in the design of the gasifier have been proposed in order

to both improve its performances in terms of mass yield and thermal efficiency, and facilitate its

operation and maintenance for users. This second gasifier prototype will be characterized and

set up in the semi-industrial unit of cashew nuts processing of WOUOL in Dakoro.



TABLE DES MATIERES DEDICACE ........................................................................................................................................................................... 1

REMERCIEMENT .............................................................................................................................................................. 2

RESUME ............................................................................................................................................................................... 3

ABSTRACT ........................................................................................................................................................................... 4

TABLE DES MATIERES ................................................................................................................................................... 5

LISTE DES TABLEAUX .................................................................................................................................................... 7

LISTES DES FIGURES ...................................................................................................................................................... 8

INTRODUCTION ................................................................................................................................................................ 9

1. Contexte et problématique .............................................................................................................................. 9

2. Objectifs et méthodologie ................................................................................................................................. 11

1. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE .................................................................................................................................. 13

1.1. Données générales sur les coques d’anacardes .................................................................................... 13

1.1.1. La noix d’anacarde .............................................................................................................................. 13

1.1.2. Transformation de la noix ............................................................................................................... 13

1.1.3. Composition Chimique de la coque d’anacarde ...................................................................... 14

1.2. Principe de la gazéification ...................................................................................................................... 15

1.3. Chimie de la gazéification de la biomasse ......................................................................................... 16

1.3.1. Le séchage .............................................................................................................................................. 17

1.3.2. La pyrolyse ............................................................................................................................................ 17

1.3.3. La combustion............................................................................................................................................ 17

1.3.4. La réduction ................................................................................................................................................ 18

1.4. Propriétés du gaz produit par gazéification ...................................................................................... 20

1.5. Influence du ratio d’équivalence sur la gazéification .................................................................... 21

1.6. Influence de la qualité de la biomasse sur les performances de la gazéification ................ 24

1.7. Les technologies de gazéification ......................................................................................................... 25

1.7.1. Les procédés à lit fixe ........................................................................................................................ 26

1.7.2. Les gazéifieurs étagés ........................................................................................................................ 28

1.7.3. Les gazéifieurs à lits fluidisés .............................................................................................................. 29

1.7.3. Données comparatives sur les diverses technologie de gazéification. .......................... 31

1.8. Les applications de la gazéification. ..................................................................................................... 33



1.8.1. La production directe de chaleur. ................................................................................................. 33

1.8.2. La production d’électricité .............................................................................................................. 34

2. TESTS DE PERFORMANCES, CARACTERISATION DU GAZEIFIER A COQUES D’ANACARDES37

2.1. Matériels et méthodes ............................................................................................................................... 37

2.1.1. Description et principe de fonctionnement du gazéifieur à coques d’anacardes ...... 37

2.1.2. Méthodologie de caractérisation des souffleurs d’air .......................................................... 45

2.1.3. Méthodologie du Test d’ébullition de l’eau ............................................................................... 46

2.1.4. Méthodologie de caractérisation de la biomasse. .................................................................. 47

2.1.5. Méthodologie de caractérisation du gazéifieur à coque d’anacarde ............................... 48

2.2. Résultats et discussions ............................................................................................................................ 50

2.2.1. Caractérisation des souffleurs ....................................................................................................... 50

2.2.2. Résultats d’analyses immédiates .................................................................................................. 52

2.2.3. Le pouvoir calorifique ....................................................................................................................... 53

2.2.4. Résultats de tests d’ébullition de l’eau ....................................................................................... 54

2.2.5. Résultats des tests de gazéification ............................................................................................. 55

2.3. Synthèse des tests de caractérisation du gazéifieur à coque d’anacardes. ....................... 60

3. OPTIMISATION DU GAZEIFIEUR .................................................................................................................... 62

3.1. Amélioration sur la chambre de gazéification et le réacteur. ..................................................... 62

3.2. Améliorations fonctionnelles sur le gazéifieur. ............................................................................... 64

CONCLUSION ET PERSPECTIVES............................................................................................................................ 66

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ....................................................................................................................... 68

ANNEXES .......................................................................................................................................................................... 70

ANNEXE 1 : Mode opératoire de caractérisation des souffleurs ............................................................ 70

ANNEXE 2 : Conduite du gazéifieur ................................................................................................................... 71

ANNEXE 3 : Méthode Opératoire de test ébullition d’eau (Water boiling test) ............................... 73

ANNEXE 4 : Test du prototype N°2 du gazéifieur ....................................................................................... 74



LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1: Principales réaction chimique mises en jeu lors d’une gazéification de biomasse (7) 17

Tableau 2: Exemple de composition chimique d’un gaz produit par gazéification à l’air de bois (8) 21

Tableau 3: Valeurs expérimentales de débits et puissances du souffleur du gazéifieur 51

Tableau 4: Analyse immédiate de coques d'anacardes et charbons 52

Tableau 5: Valeur de pouvoirs calorifiques des échantillons par test 54

Tableau 6: Résultats de test d'ébullition d'eau du gazéifieur 54

Tableau 7: Bilans de matière et d'énergie de gazéification 56



LISTES DES FIGURES Figure 1: Noix d'anacarde composée de l’amande, la pellicule et la coque. _________________________________________ 13

Figure 2: Composition élémentaire de la coque d'anacarde (2) __________________________________________________ 14

Figure 3: Structure des principaux composés phénoliques caractéristiques du baume de la coque d'anacarde (5) _________ 15

Figure 4:Principe de gazéification de la biomasse (source: BTG ; http://www.btgworld.com) _________________________ 19

Figure 5: température de la réaction en fonction du ratio d’équivalence (9) ________________________________________ 23

Figure 6: Energie du charbon et du gaz en fonction ratio d’équivalence (9) ________________________________________ 23

Figure 7: composition du gaz fonction du ratio d’équivalence (9) ________________________________________________ 23

Figure 8: Evolution du flux d'énergie en fonction de la température de gazéification (12) ____________________________ 24

Figure 9: Evolution du flux d'énergie pour différentes humidité du bois (12) _______________________________________ 24

Figure 10: Influence de l'humidité sur le pouvoir calorique du gaz de synthèse (12) _________________________________ 25

Figure 11: Principe d'un gazéifieur à lit fixe contre-courant (Updraft) (14) ________________________________________ 27

Figure 12: Principe d'un gazéifieur à lit fixe co-courant (14) ____________________________________________________ 28

Figure 13: Principe d'un gazéifieur étagé (source: http://xylowatt.com) __________________________________________ 29

Figure 14: Principe de gazéifieurs en lit fluidisé dense (à gauche) et circulant (à droite) (14) _________________________ 30

Figure 15: Contraintes que doit respecter la biomasse pour les différents types de gazéificateurs (12) __________________ 31

Figure 16: Avantages et inconvénients des différents procédés pour la gazéification de la biomasse (15) ________________ 32

Figure 17: Puissance des installations envisageables (15) _______________________________________________________ 32

Figure 18: Application thermique de la gazéification (16) ______________________________________________________ 33

Figure 19: Gazéifieur à application thermique. (16) ___________________________________________________________ 34

Figure 20: Schémas d'une centrale de gazéification à cogénération (16) __________________________________________ 36

Figure 21: Schéma de principe et vue isométrique du CFRHG 40D (17) ____________________________________________ 38

Figure 22: Schéma du gazéifieur à coques d’anacarde __________________________________________________________ 39

Figure 23: Schémas du réacteur du gazéifieur à coque d'anacarde _______________________________________________ 40

Figure 24: Schéma de la chambre de gazéification_____________________________________________________________ 42

Figure 25: Conduites de circulation de gaz et d’air chaud du gazéifieur à coque d’anacarde __________________________ 43

Figure 26: Vue d'un souffleur d'air du gazéifieur ______________________________________________________________ 44

Figure 27: Position des souffleurs sur le gazéifieur _____________________________________________________________ 44

Figure 28: Schémas de câblage d'un souffleur pour essai de mesure ______________________________________________ 45

Figure 29 : Vue de la plateforme de test d'ébullition de l'eau ____________________________________________________ 46

Figure 30: Valeurs expérimentales de débits et puissances du souffleur d'air du brûleur ______________________________ 51

Figure 31: Courbes de variation de la puissance et du débit d’air d’un souffleur en fonction de la position d’ouverture _____ 51

Figure 32: Analyse immédiate de coques d'anacardes et des charbons issus des tests de gazéification ___________________ 53

Figure 33: Variations du PCI entre les coques et le charbon par test ______________________________________________ 54

Figure 34: Diagramme des puissances par test ________________________________________________________________ 55

Figure 35: Consommation de biomasse par test _______________________________________________________________ 57

Figure 36: Rendement massique par test_____________________________________________________________________ 57

Figure 37: Rendement thermique par test ____________________________________________________________________ 59

Figure 38: Consommation spécifique de biomasse par Kilowattheure produit ______________________________________ 59

Figure 39: Variation de la puissance utile en fonction de l'humidité de la biomasse __________________________________ 60

Figure 40: Variation de rendement thermique en fonction de l'humidité de la biomasse ______________________________ 60

Figure 41: Vue des goudrons condensés ______________________________________________________________________ 63

Figure 42: Aperçu des prototypes de gazéifieur _______________________________________________________________ 63

Figure 43: Aperçu de modification des conduites de circulation de gaz ____________________________________________ 65

Figure 45 : Vue des fuites de gaz lors du test __________________________________________________________________ 75

Figure 44 : Vue du brûleur à gaz lors du test__________________________________________________________________ 75

Figure 46 : Schémas de la conduite de gaz modifiée ____________________________________________________________ 75



INTRODUCTION

1. Contexte et problématique

La filière anacarde est récente au Burkina Faso à l’instar d’autres pays de la sous-région comme

le Bénin et la Côte d’Ivoire. Les premières unités semi-industrielles ont fait leur apparition en

2001. Néanmoins, l’activité de transformation des anacardes existait déjà mais sous une forme

traditionnelle. Cette activité était pratiquée en majorité par les femmes pour qui la vente des

amandes d’anacardes constituait une source de revenus. Le manque d’organisation et de moyen

matériel limitait le marché des amandes à une échelle locale. Initié par les organisations non

gouvernementales (ONG) et associations, la création d’unités semi-industrielles de

transformation d’anacarde à contribuer à une meilleure structuration de la filière et à lui ouvrir

les portes du marché international. (1)

Cette filière qui intéresse désormais beaucoup d’entrepreneurs et d’associations villageoises se

présente comme un levier de développement car elle contribue à lutter contre la pauvreté dans

les zones rurales et semi-urbaines. Cette activité génère des sources de revenus, pour les

producteurs de noix d’anacardes et les ouvriers travaillants dans les unités semi industrielles.

La filière anacardes connait aujourd’hui quelques problèmes freinant le développement des

unités de transformation. L’un des principaux problèmes est associé à la production de l’énergie

nécessaire pour la transformation. La plupart des unités semi-industrielles utilise le bois et le gaz

naturel comme source d’énergie. Cependant, la déforestation et la hausse du prix des

hydrocarbures contraignent la filière anacarde à se tourner vers des solutions énergétiques

durables. Actuellement, les partenaires techniques et financiers de la filière anacarde comme le

RONGEAD1, l’INADES2 et la SNV3, initient des projets pilotes dont le but est d’intégrer un

management des énergies durables dans les unités semi-industrielles de transformation des noix

d’anacarde. La plupart de ces projets s’articulent autour de la valorisation énergétique des

coques d’anacarde.

Les coques d’anacardes sont des déchets issus de la transformation des noix d’anacardes qui

sont actuellement peu ou presque pas valorisés faute de moyen efficace dans les unités semi-

1 Réseau d'ONG Européenne pour l'Agriculture et le Développement 2 Institut Africain pour le Développement Économique et Social

3 Netherlands Development Organisation



industrielles du Burkina Faso. Deux procédés de valorisations de coques d’anacardes sont

actuellement employés dans les autres pays ; il s’agit de l’extraction du baume de cajou destinée

à l’industrie chimique et l’utilisation des coques sous formes de combustibles. Le baume

d’acajou ou CNSL (cashew nut shell liquid) est employé dans l’industrie pour la fabrication

d’encre, de vernis de protection contre les insectes ou imperméabilisants, d'insecticides ou

encore d'éléments de friction de véhicules comme les freins et les embrayages. Ce secteur de

valorisation des coques d’anacardes est inexistant au Burkina Faso. Il n’existe encore aucune

unité de transformation disposant d’équipements permettant l’extraction du CNSL.

Les coques d’anacardes possèdent un fort potentiel énergétique qui pourrait être valorisé sous la

forme d’énergie thermique utilisable en substitution du bois et du gaz naturel dans le processus

de transformation des noix anacardes dans les unités semi-industrielles. Cependant, la

combustion directe des coques dans les chaudières utilisées couramment dans les unités de

transformation de noix d’anacarde, n’est pas la solution appropriée pour la valorisation des

coques. La combustion directe des coques d’anacardes dans ces chaudières donne des résultats

médiocres, due aux faibles rendements thermiques, aux fortes émissions de fumées ayant une

odeur forte, désagréable, chargées de goudrons et de suies et pouvant présenter des dangers

pour la santé humaine, et provoquer l’encrassement des chaudières et des cheminées [ (2), (3)].

C’est une difficulté rencontrée lorsque l’on brûle de la biomasse à forte teneur en matières

volatiles comme les coques d’anacarde. Cependant, cette propriété est loin d’être un handicap

pour la valorisation des coques d’anacardes dans la mesure où des systèmes appropriés de

conversion thermochimique sont développés et mis en œuvre. La gazéification est l’un de

procédé les plus approprié pour la valorisation de biomasses à forte teneur en matière volatiles

car elle offre généralement des performances énergétiques élevées et une bonne acceptabilité

environnementale. La gazéification des coques d’anacarde est aujourd’hui employée dans les

grands pays producteurs d’anacarde comme l’Inde. En revanche, les technologies de

gazéification sont quasi inexistantes dans les pays africains producteurs d’anacardes. Le

développement de technologies de gazéification des coques d’anacardes est motivé par les

avantages suivants :



La réduction des coûts de transformation de l’anacarde pour les unités semi-industrielles

qui utilisent le bois et le gaz naturel pour leurs besoins énergétiques

La réduction d’émissions des fumées et d’odeur dues à l’utilisation de bois durant la

saison humide

La préservation des forêts d’où proviennent l’essentiel du bois utilisé pour la

transformation des anacardes.

L’intégration des concepts de développement durable dans les filières anacardes grâce à

la revalorisation des sous-produits de transformation.

La réduction des émissions de CO2 associées à l’utilisation de bois non renouvelable et de

gaz naturel, susceptible d’ouvrir la voie au marché des crédits carbones

La valorisation des coques d’anacardes fait actuellement l’objet d’un projet pilote qui consiste à

l’installation d’un gazéifieur à coque d’anacarde dans une des unités de transformation semi-

industrielle appartenant à l’association WOUOL. Cette unité est implantée à Dakoro, localité

rurale située dans la région des Cascades au Burkina Faso. Le gazéifieur une fois installé

produira l’énergie thermique nécessaire au processus de transformation des noix d’anacardes

(fragilisation et séchage). Ce nouveau système remplacera totalement le bois et le gaz naturel

actuellement utilisé dans l’unité. Ce projet mobilise un certain nombre de partenaires techniques

et financier, parmi lesquels figure la société ISOMET (Innovation en Solaire et Métallique).

ISOMET est spécialisé dans le domaine des énergies renouvelables, essentiellement dans le volet

de la conception et la réalisation des systèmes. Dans le cadre du projet, l’entreprise ISOMET est

chargée de la conception et de la réalisation du gazéifieur à coque d’anacarde. La présente étude

a fait l’objet d’une étroite collaboration entre la société ISOMET et le laboratoire Biomasse

Energie et Biocarburants (LBEB/CIRAD) pour la phase de caractérisation et d’optimisation du

gazéifieur.

2. Objectifs et méthodologie

La gazéification des coques d’anacardes requiert la conception d’un gazéifieur approprié. La

conception d’un tel gazéifieur nécessite une bonne connaissance des principes de la gazéification

et des différentes technologies de gazéifieurs existantes. A la lumière de ces connaissances et des

contraintes imposées par la nature de la biomasse telles que sa granulométrie et sa composition



chimique, nous pourront alors aboutir à la réalisation d’un gazéifieur adapté à l’usage auquel il

est destiné.

L’objectif de ce travail de stage est d’étudier et d’optimiser la gazéification à l’échelle pilote de

coques d’anacardes pour la production de chaleur, directement utilisable dans les procédés de

transformations de noix d’anacardes des unités semi-industrielles. Pour ce faire, un gazéifieur à

coques d’anacardes a été conçu et fabriqué par l’entreprise ISOMET pour servir de prototype

d’essai afin de tester les performances de la conversion thermochimique des coques d’anacardes

en énergie thermique. Les résultats obtenus sur ce premier prototype serviront alors à

l’amélioration de la technologie et ensuite à son transfert permettant la commercialisation de

gazéifieurs performants qui équiperont les unités semi-industrielles de transformation de noix

d’anacardes dont celle de l’association WOOL et….

Pour mener à bien cette étude, la méthodologie que nous avons adoptée est la suivante :

La recherche bibliographique sur les différentes technologies de gazéification existantes

et les caractéristiques physico-chimiques des coques d’anacardes

L’utilisation des résultats de la recherche pour la modification d’un gazéifieur existant

afin de concevoir un prototype de gazéifieur adapté à l’utilisation des coques d’anacarde

La réalisation de tests de fonctionnement du prototype de gazéifieur modifié afin de

déterminer les performances, les paramètres de fonctionnement et la qualité du gaz

produit.

L’optimisation du prototype à partir des insuffisances identifiées lors des tests en termes

de performances et de fonctionnement



1. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

1.1. Données générales sur les coques d’anacardes

1.1.1. La noix d’anacarde

La noix de cajou ou anacarde est le fruit de l’anacardier (Anacardium occidentale), arbre

originaire du Brésil. L’anacardier est une plante qui a été domestique dans plusieurs régions du

monde notamment en Asie du sud et en Afrique tropicale humide. Cette plante est aujourd’hui

très importante car elle anime toute une filière industrielle basée sur la transformation de son

fruit. La noix de cajou contient une amande comestible constituant le principal produit valorisé

de l’anacardier. La noix d’anacarde se développe à l’extrémité d’un pédoncule juteux et

comestible appelé pomme de cajou. Elle est constituée par une amande formée de deux

cotylédons blancs et charnus, recouverts d’une pellicule de couleur rouge, appelée la testa,

l’ensemble étant enfermé dans une coque (Fig. 1).

Figure 1: Noix d'anacarde composée de l’amande, la pellicule et la coque.

1.1.2. Transformation de la noix

La transformation de la noix d’anacarde vise l’extraction et le conditionnement de l’amande

comestible. Cette transformation comporte plusieurs étapes. Le processus classique de

transformation comporte cinq étapes principales qui sont : la fragilisation de la noix, le

décorticage, le séchage, le dépelliculage et le conditionnement.

La fragilisation consiste à faire subir un choc thermique à la noix afin de facilité l’ouverture de la

noix. A cette étape, la noix d’anacarde subir un bain de vapeur dans une étuveuse. Après la

fragilisation, les noix sont d’abord décortiquées mécaniquement, puis l’on procède à

l’extraction des amandes. Les coques d’anacardes sont produites à cette étape de la

transformation. Les amandes extraites subissent l’étape de séchage dont le but est d’extraire



l’humidité des amandes afin de prolonger leur durée de conservation. Un fois les amandes

séchées, on procède alors au dépelliculage. Le séchage facilite le décollement des pellicules

recouvrant les amandes. Après le dépelliculage, les amandes sont calibrées pesées et

conditionnées dans des sacs en plastiques sous vide avant leur commercialisation.

La transformation de l’anacarde consomme énormément d’énergie notamment aux étapes de

fragilisation et de séchage. D’après un audit que nous avons réalisé dans le cadre du projet sur

l’unité de transformation d’anacarde de Dakoro, la transformation d’un kilogramme de noix

d’anacarde nécessite environ 1,55 mégajoules d’énergie (4).

1.1.3. Composition Chimique de la coque d’anacarde

La coque d’anacarde est principalement composée de carbone (48,7%), d’oxygène (43,9%),

d’hydrogène (7%) et d’azote (0,4%). Elle présente également un faible taux de matières

minérales qui est évalué par le taux de cendres. Le tableau 1 ci-dessous récapitule la composition

élémentaire de la coque d’anacarde et de celle du bois à titre de comparaison.

Fraction massique par rapport à la

biomasse sèche(%)

Eléments Coque

d’anacarde Bois sec

Carbone 48,7 50,9

Hydrogène 7 6,1

Azote 0,4 0,4

Oxygène 43,9 42,6

Figure 2: Composition élémentaire de la coque d'anacarde (2)

La coque de la noix d’anacarde est formée de deux coquilles, l’une à l’extérieur de couleur verte

et fine, l’autre interne de couleur brune et dure. La coque d’anacarde un baume aussi connu sous

l’appellation de CNSL (Cashew Nut Shell Liquid).Ce baume contient essentiellement quatre

composants chimiques majeurs (5) qui sont :

1. Le 3-pentadecenyl phénol (Anacardol)

2. Le 5-pentadecenyl résorcinol (cardol)

3. L’acide 6-pentadecenyl salicylique (Acide anacardique)



4. 2-methyl-5-pentadecenyl resorcinol (2-methyl cardol)

Les composés chimiques majeurs du baume sont des composés phénoliques.

Figure 3: Structure des principaux composés phénoliques caractéristiques du baume de la coque d'anacarde (5)

1.2. Principe de la gazéification

La gazéification est la conversion thermochimique d’un combustible solide (Biomasse) en gaz

combustible. Cette conversion se fait en présence d’un agent oxydant gazeux (air, O2, CO2, vapeur

d’eau ou un mélange de ces composés) contrairement à la pyrolyse qui se fait en l’absence de gaz

réactif. La gazéification diffère aussi de la combustion car l’apport en comburant est très limité et

n’atteint pas la quantité stœchiométrique.

Gazéification :

Le gaz obtenu par cette conversion thermochimique de matière est appelé gaz de synthèse ou

syngaz. C’est un mélange de gaz combustibles, riche en hydrogène et en monoxyde de carbone,

qui peut être exploité de plusieurs manières :

Alimentation des moteurs à combustion interne (tels que des moteurs ou des turbines à

gaz) et des piles à combustibles hautes températures, pour produire électricité et chaleur,

le gaz de synthèse dérivé du bois étant un excellent combustible pour les moteurs ;

Remplacement des combustibles classiques comme le Houille, le gaz naturel, etc. pour des

applications thermiques dans l’industrie.



Synthèse de carburants ou autres produits chimiques d’intérêt par divers procédés

catalytiques de conversion du gaz de synthèse (par exemple, le procédé Fischer-Tropsch

qui permet de synthétiser des carburants de type diesel ou essence (6))

1.3. Chimie de la gazéification de la biomasse

La gazéification met en jeu un ensemble de processus thermochimiques complexes et fortement

couplées qui se produisent simultanément ou successivement en fonction de la technologie

utilisée et des conditions opératoires. Quel que soit le type de procédé, le processus de

gazéification de la biomasse peut se résumer, de manière simplifiée, en quatre étapes principales

: (i) le séchage de la biomasse, (ii) la pyrolyse de la biomasse sèche, appelée aussi

dévolatilisation, (iii) la combustion des gaz de pyrolyse et/ou du charbon et (iv) la réduction qui

regroupe la réaction de gazéification du charbon et les réactions de reformage des goudrons. Des

réactions secondaires de craquage thermique et des réactions équilibrées en phase gaz sont

également mises en jeu et jouent un rôle non négligeable dans la composition finale du gaz

produit. Le tableau 1 résume l’ensemble des réactions chimiques impliquées dans le procédé

global de gazéification avec leurs enthalpies de réaction.

N° Réaction Enthalpie de réaction

H0 (KJ/mol)

Combustion du charbon

R1 (combustion complète) -394

R2 ⁄ (combustion partielle) -111

Réaction de combustion des goudrons

R3 (oxydation complète) -

R4 (Oxydation partielle) -

Gazéification du charbon

R5 (Réaction de Boudouard) +173

R6 (Réaction de vapo-gazéification) +131

R7 (Hydrogazéification) -75

Réactions Homogènes

R8 (Oxydation du CO) -283

R9 (Oxydation de H2) -242



R10 (Oxydation du méthane) -293

R11 (Réduction du gaz à l’eau ou water gas shift) -41

R12 (Méthanation) -206

Réaction de conversion des goudrons

R13 (vaporeformage) Très endothermique +

(200 à 300) R14 (Reformage de CO2)

R15 (Craquage thermique)

Tableau 1: Principales réaction chimique mises en jeu lors d’une gazéification de biomasse (7)

1.3.1. Le séchage

Au cours du séchage, la biomasse fraiche introduite dans le gazéifieur est dépourvue de l’eau

(eau libre et eau liée) qu’elle contient. Cette réaction se produit à une température inférieure à

200°C. L’eau évaporée se mélange aux gaz de pyrolyse et participe à la réaction de gazéification.

Le séchage de la biomasse a une influence importante sur les performances de la gazéification.

Cette réaction consomme de l’énergie, ce qui a pour conséquence de mobiliser une partie de

l’énergie de la biomasse pour cette étape. Il est alors important de sécher le plus possible la

biomasse avant de la gazéifier. L’humidité de la biomasse n’a pas la même influence sur la

gazéification selon la technologie utilisée.

1.3.2. La pyrolyse

Sous l’effet de la température (à partir de 230°C), la biomasse qui entre dans la zone de réaction

subit la pyrolyse et se décompose en matières volatiles complexes comportant des gaz

incondensables (CO2, CO, H2, CH4) et des vapeurs condensables (H2O, CnHmOp) et en résidu solide

(charbon).

1.3.3. La combustion

Au contact de l’oxygène, les matières volatiles issues de la pyrolyse brûlent, formant

exothermiquement des produits d’oxydation complète (CO2, H2O). On parle alors d’oxydation des

matières volatiles. Le charbon résultant de l’étape de pyrolyse peut également subir des

réactions exothermiques d’oxydation partielle ou de combustion complète. Toutes ces réactions



de combustion sont exothermiques comme le montrent les enthalpies de réaction résumées dans

le tableau 1.

La biomasse est assimilable à un composé d’eau et de carbone dont la formule générique est :

La combustion de la biomasse peut être représentée par l’équation ci-après :

L’azote présente de cette équation représente la proportion d’azote contenue dans l’air de utilisé

pour la réaction. Il est inerte et ne participe pas à la combustion. La réaction de combustion

produit de l’énergie dont la valeur par unité de masse correspond au pouvoir calorifique

inférieur(PCI) de la biomasse. La réaction de combustion produit l’énergie nécessaire pour la

pyrolyse et la gazéification, ces deux réactions étant endothermiques.

1.3.4. La réduction

Les gaz issus de la phase de combustion, le CO2 et la vapeur H2O peuvent à leur tour réagir avec

le carbone du charbon résiduel pour donner lieu aux gaz combustibles CO et H2 (Tableau 1, R5 et

R6) C’est cette réaction hétérogène que l’on appelle la gazéification du charbon. Ces réactions

fortement endothermiques se produisent à hautes températures (T > 800°C) et nécessitent donc

un apport important d’énergie. Il convient de noter ici que le terme gazéification désigne aussi

bien le procédé global avec ses différentes étapes que la réaction hétérogène entre le carbone et

un gaz réactif tel que H2O ou CO2.

A ce stade interviennent les équilibres du gaz à l’air (Tableau 11, R8, oxydation du CO) et du gaz à

l’eau (Tableau 11, R11, réaction de Water Gas Shift), qui conditionnent le degré de conversion en

CO et H2, de sorte qu’il peut subsister dans le gaz produit des quantités appréciables de CO2 et de

H2O.

Durant la phase de réduction, des réactions de reformage des goudrons telles que le reformage à

la vapeur H2O (R13) ou au CO2 (R14) peuvent avoir lieu et donner lieu à la formation de CO et H2

additionnel. Le craquage thermique des goudrons (R15) est une réaction secondaire qui peut

également se produire dans des zones réactionnelles faiblement oxydante, pour donner du

carbone solide et du CH4. Toutes ces réactions peuvent être homogènes, hétérogènes et avoir

lieu à l’intérieur ou à l’extérieur d’une particule de combustible.

Les mécanismes régissant le procédé global de gazéification peuvent être résumés dans le

schéma ci-après (Fig. 3).



Figure 4:Principe de gazéification de la biomasse (source: BTG ; http://www.btgworld.com)

Il existe différents agents gazéifiants dont les plus utilisés sont : l’oxygène, le dioxyde de carbone

l’eau, l’air. Il est possible aussi d’utiliser un mélange de plusieurs agents gazéifiants afin d’obtenir

du gaz avec des propriétés particulières. Par exemple, la gazéification à l’oxygène produit un gaz

dont le pouvoir calorifique est nettement supérieur à celui d’un gaz où l’agent gazéifiant est l’air.

Dans le cadre de notre étude, nous nous intéresseront à la gazéification à l’air.

En théorie, la gazéification à l’air doit s’opérer avec la quantité minimale d’oxygène nécessaire

pour la conversion de toute la biomasse en un mélange gazeux composé uniquement de

monoxyde de carbone (CO) et de dihydrogène (H2), selon la réaction chimique suivante :

En pratique, cela est impossible car les réactions endothermiques s’opérant durant le processus

de gazéification requièrent de l’énergie. Cette énergie est alors fournie par la combustion d’une

partie de la biomasse. Une quantité excédentaire d’air est alors requise afin de produire une

combustion dont l’énergie servira à alimenter les réactions de pyrolyse et de réductions.

L’équation globale de la réaction devient alors :



Le ratio CO/CO2 (ou H2/H2O) est utilisé comme critère de qualité du gaz de synthèse. Environ

30% de la biomasse est brulé pour fournir l’énergie de gazéification du reste de la biomasse. La

quantité de d’oxygène nécessaire à la réaction dépend de l’efficacité du procédé. Le procédé peut

être optimisé en isolant le réacteur, en séchant bien la biomasse avant la gazéification ou en

préchauffant les réactifs (air, biomasse) (9).

1.4. Propriétés du gaz produit par gazéification

Le gaz issu de la gazéification de la biomasse utilisant l’air comme agent gazéifiant, contient

essentiellement les composés chimiques suivant : le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde de

carbone (CO2), le dihydrogène(H2), la vapeur d’eau(H2O), le méthane (CH4), l’azote (N2), les

composant gazeux carbonés (CnHm) et de goudrons. Le tableau 4 présente un exemple de

composition d’un gaz produit par la gazéification de bois à l’air. Les proportions de chacun de ces

composés chimiques dans le gaz varient en fonction de plusieurs paramètres. Ces paramètres

sont essentiellement :

La composition chimique de la biomasse

La nature et la proportion de l’agent gazéifiant

La température de gazéification

La technologie de gazéification

Le pouvoir calorifique du gaz varie aussi en fonction des paramètres précédemment cités. Il peut

être mesuré à l’aide d’un calorimètre ou estimé avec la formule suivante :

(9)

CO(%), H2(%), CH4(%) représente les proportions volumiques des composants du gaz de

synthèse. L’agent gazéifiant influe sur la valeur du PCI du gaz produit. L’utilisation de l’air

comme agent gazéifiant tend à faire baisser le PCI du gaz, du fait de la forte proportion d’azote

dans le gaz. Le PCI du gaz obtenue varie de 3 à 6MJ/Nm3 (9)

Dans cas où l’agent gazéifiant est de la vapeur d’eau, on peut obtenir un gaz à forte teneur en

hydrogène. Le PCI d’un tel gaz varie de 10 à 15 MJ/Nm3 (9)



Composant Symbole Taux (%.vol)

Monoxyde de carbone CO 21,0%

Dioxyde de carbone CO2 9,7%

Hydrogène H2 14,5%

Eau H20 4,8%

méthane CH4 1,6%

Azote N2 48,4%

PCI = 4784,8 KJ/Nm3

Tableau 2: Exemple de composition chimique d’un gaz produit par gazéification à l’air de bois (10)

1.5. Influence du ratio d’équivalence sur la gazéification

Le ratio équivalence (en anglais Equivalence Ratio) se définie comme étant le rapport entre la

quantité réelle d’oxygène apportée à la gazéification et la quantité stœchiométrique d’oxygène

nécessaire pour la combustion complète du combustible. Pour exemple il faut environ 1,476 Kg

d’oxygène pour la combustion complète de 1 Kg de biomasse.

Le ratio d’équivalence joue un rôle déterminant dans les mécanismes de la gazéification. Il a une

influence sur les réactions chimiques durant le processus et au final détermine la composition

chimique du gaz. En général, on admet que la valeur optimale théorique du ratio d’équivalence

lors d’une gazéification à l’air est de 25%. Quand le ratio d’équivalence est inférieur à 25% la

réaction tend vers la pyrolyse, au-delà de 25% et jusqu’à la valeur de 100% la réaction est une

gazéification. Au-delà des 100%, nous assistons à une combustion (voir figure 3).

Les figures 4, 5 et 6 présentent respectivement l’influence du ratio d’équivalence sur la

température de la réaction, la composition chimique du gaz et le pouvoir calorifique du gaz et du

charbon. Comme le montrent ces figures, une augmentation de la valeur du ratio d’équivalence

entre 0% et 25% conduit aux conséquences suivantes :

Le taux de CO2 dans le gaz produit baisse significativement. Dans ces conditions ou le lit

de réaction est n’a pas encore atteint une température élevé, la réaction inverse de gaz à

l’eau est plus rapide d’où l’augmentation de taux de CO et la baisse du taux de CO2. (figure

4)



La température du lit de réaction augmente lentement (voir Figure 3) favorisant les

réactions typiquement endothermiques telle la réaction de Boudouard et la réaction de

vapo-gazéification aussi bien que les réactions de méthanation. On note une

augmentation graduelle du taux H2 et de CH4

L’augmentation des taux de CO, H2 et CH4 implique aussi une augmentation du pouvoir

calorifique du gaz de synthèse.

La consommation du charbon est limitée et à la fin de la réaction, on remarque que le

charbon n’est pas totalement gazéifié (figure 6).

Lorsque la valeur du ratio d’équivalence dépasse 25%, nous observons des phénomènes

différents du cas précédent :

Les taux de CO, H2 et CH4 dans le gaz produit décroissent, tandis que le taux de CO2 croit

significativement. Cette tendance s’explique par le fait que l’excès d’air dans le lit de

réaction tend à favoriser l’oxydation du charbon et des goudrons.

La température du lit de réaction augmente rapidement, en raison de l’exothermicité des

réactions d’oxydation (voir figure 3)

La baisse des taux de CO, H2 et CH4 conduit aussi à une baisse du pouvoir calorifique du

gaz. (voir figure 4)

La gazéification consomme la quasi-totalité de charbon (voir figure 6)

Pour un réacteur à lit fixe, le ratio d’équivalence varie avec la consommation de biomasse. Afin

de maintenir le rapport d’équivalence à la valeur optimale de 0,25, il existe deux solutions :

Diminuer le débit d’air au fur de la consommation de biomasse dans le cas d’un réacteur

de type ‘’batch’’

Maintenir le niveau du lit de réaction constant durant la gazéification en alimentant

continuellement le réacteur en biomasse (cas d’un réacteur continu).



Figure 5: température de la réaction en fonction du ratio d’équivalence (9)

Figure 7: composition du gaz fonction du ratio d’équivalence (9) Figure 6: Energie du charbon et du gaz en fonction ratio d’équivalence (9)



1.6. Influence de la qualité de la biomasse sur les performances de la

gazéification

Le rendement d’un gazéifieur dépend d’un part de sa conception et des paramètres de

fonctionnement et d’autre part de la qualité de la biomasse utilisée pour son approvisionnement.

Les critères liés à la biomasse influençant la qualité de la gazéification sont essentiellement le

pouvoir calorifique de la biomasse et son taux d’humidité. Dans les figures 7, 8 et 9 ci-dessous,

nous pouvons voir l’influence des caractéristiques physicochimiques de la biomasse sur les

performances de la gazéification d’un point de vue énergétique

Figure 8: Evolution du flux d'énergie en fonction de la température de gazéification pour différentes compositions de biomasse (12)

Figure 9: Evolution du flux d'énergie pour différentes humidité du bois (12)



Figure 10: Influence de l'humidité sur le pouvoir calorique du gaz de synthèse (12)

la figure 7 montre l’évolution du flux d’énergie du gaz en fonction de la température de

gazéification pour différentes compositions de bois qui correspondent à différents pouvoirs

calorifiques, en considérant ses trois principales macromolécules constitutives (cellulose,

hémicelluloses et lignine), . Dans la figure 8, nous pouvons observer l’évolution de l’énergie

interne du gaz en fonction de la température de gazéification pour différents taux d’humidité. La

figure 9présente l’évolution du pouvoir calorifique du gaz en fonction de l’humidité.

En observant les résultats que fournit la figure 7, on remarque que plus la biomasse introduite

possède un fort pouvoir calorifique, plus le gaz est énergétique (son flux d’énergie est alors plus

important). D’après les graphiques des figures 8 et9, on peut voir que plus le taux d’humidité

augmente moins le gaz produit est énergétique.

1.7. Les technologies de gazéification

Le choix d’un procédé de gazéification doit prendre en compte des critères comme la taille de

l’installation, le type de biomasse et l’usage auquel est destiné le gaz produit. En général, on

distingue deux grands groupes de procédés de gazéification : les procédés à lit fixe et les

procédés à lit fluidisés.



1.7.1. Les procédés à lit fixe

Les procédés à lit fixe sont caractérisés par la formation d’un lit épais par le combustible. Dans

ces types de procédés, la mobilité du lit est réduite et est utilisé que dans un but d’évacuation des

résidus ou de restauration de la perméabilité du lit de combustible. Les gazéifieurs fonctionnant

selon ce principe sont de réacteurs fermé ou semi-fermés. Les réacteurs à lit fixe sont employés

essentiellement pour des installations de faibles puissances.

a. Les gazéifieurs à lit fixe contre-courant ou ‘’Updraft ’’

La figure 10 schématise le principe des gazéifieurs à lit fixe contre-courant. Ces gazéifieurs

produisent du gaz dont le flux va à contre sens du flux de matières solides. Dans cette

configuration, l’air rencontre d’abord les braises de charbon qu’il oxyde. Les gaz de combustion

ainsi formés (essentiellement du CO2 et de la vapeur d’eau) rencontrent éventuellement du

charbon suffisamment dévolatilisé servant de réducteur et former du CO et du H2 à haute

température (phase de réduction). En remontant, les gaz chauds provoquent la pyrolyse et le

séchage de la biomasse dont la fraction gazeuse est mélangée aux gaz de réduction.

Le gaz produit par ce type de gazéifieur est extrêmement riche en composés organiques

condensables (goudrons). En contrepartie, il est très faiblement chargé en particules. Il est alors

souhaitable de brûler ce gaz sans le refroidir pour éviter l’encrassement des équipements. Les

avantages principaux des gazéifieurs à contre-courant sont leur simplicité et la possibilité

d’utiliser de la biomasse très humide (humidité de 60%).

Par contre, la haute teneur en goudrons du gaz produit par ces gazéifieurs est un inconvénient.

En effet, le gaz ainsi produit ne peut pas être utilisé dans des moteurs ou turbines à gaz pour la

production d’électricité (problèmes d’encrassement et de corrosion des installations dues aux

goudrons). Cela limite l’utilisation des gazéifieurs à contre-courant à la production directe de

chaleur. (13)



Figure 11: Principe d'un gazéifieur à lit fixe contre-courant (Updraft) (14)

b. Les gazéifieurs à lit fixe co-courant ou ‘’Downdraft’’

Les gazéifieurs à lit fixe co-courant ou ‘’downdraft’’ ont une configuration où l’air et les gaz

produits circulent dans le même sens que la charge de combustible. Le principe de ce réacteur

est schématisé à la figure 6. L’air entre en contact avec les produits gazeux de pyrolyse et les

brûle en formant une zone de flamme dont la haute température entretient la pyrolyse de la

biomasse fraiche qui descend au fur et à mesure qu’est consommé le charbon présent dans la

zone de réduction. La chaleur issue de la zone de combustion entretien aussi les réactions

endothermiques ultérieures de la zone de réduction. En dessous de la zone de pyrolyse, les gaz

de combustion entre en contact avec le carbone du charbon issu de la pyrolyse de la biomasse

qui les réduit en gaz combustibles. Les réactions d’oxydoréduction consomment le charbon qui

se transforme au fur et à mesure en cendres qui sont évacuées à travers une grille ou un sas. Cela

assure la descente du combustible dans le réacteur.

Les gaz produits par ce type de réacteur ne contiennent en principe que peu de goudrons, car

l’oxydation des gaz de pyrolyse y est prédominante. Par contre à la sortie du réacteur, le gaz est

assez chargé de particules fines de charbon non converti et de cendres (13).

C’est ce type de gazéifieur qui fait l’objet de notre étude. Nous reviendrons plus en détails sur ce

procédé de gazéification.

CHyOx

Pyrolyse

CHs

Oxydation

CHs

Réduction

CnHm CO H2 CO2 H2O

O2

C

CO2



Figure 12: Principe d'un gazéifieur à lit fixe co-courant (14)

1.7.2. Les gazéifieurs étagés

Le principe des gazéifieurs étagés est assez proche du celui des gazéifieurs à co-courant,

contrairement à ce dernier, les deux étapes de pyrolyse et de gazéification sont réalisés dans des

réacteurs différents. Le premier réacteur est destiné à la pyrolyse de la biomasse fraichement

introduite. Le combustible y est séché puis pyrolysé à température contrôlée. Le charbon et les

gaz de pyrolyse alimentent un second réacteur. Dans ce second réacteur, les gaz de pyrolyse

subissent une oxydation où un apport en oxygène permet leur combustion. Les gaz chauds

obtenus réagissent avec le lit de charbon pour produire les gaz combustibles. Ce type de réacteur

a l’avantage de permettre une conduite indépendante des phases de pyrolyse et de gazéification.

Ce procédé permet de réduire considérablement le taux de goudrons dans le gaz produit à la fin

du procédé. En effet, les gaz issus de la pyrolyse dans le premier étage sont thermiquement

craqués et oxydés dans le second étage. (14)

CHyOx

Pyrolyse

CO2 H2O

Réduction

CnHm CO H2 CO2

H2O

Oxydation O2

CHs

CO H2



Figure 13: Principe d'un gazéifieur étagé (source: http://xylowatt.com)

1.7.3. Les gazéifieurs à lits fluidisés

Dans un procédé à lit fluidisé, les particules sont en "suspension" dans le réacteur. Cela favorise

les échanges thermiques et massiques entre le gaz et le solide. Les conditions opératoires sont

bien maîtrisées et les vitesses de réaction beaucoup plus importantes que dans les procédés à lit

fixe. Cependant, la fluidisation n'est possible qu'avec des particules de petite taille (2 à 5 mm), ce

qui nécessite généralement un broyage préalable de la biomasse. D'autre part, le gaz produit est

fortement chargé en particules, exigeant la mise en œuvre de traitements avant sa valorisation.

Dans ce type de réacteur, les différents mécanismes de séchage, pyrolyse, oxydation homogène

et hétérogène ont lieu dans une seule et même zone du réacteur. (14)



Figure 14: Principe de gazéifieurs en lit fluidisé dense (à gauche) et circulant (à droite) (14)

Il existe 3 types de réacteurs de réacteurs à lit fluidisés en fonction de la vitesse de fluidisation :

le lit fluidisé dense, le lit fluidisé circulant et le lit entrainé.

Les procédés à lit fluidisé dense (figure 13) ont une vitesse de fluidisation est relativement faible

(1-2 m/s). Cela permet le brassage des particules sans les entraîner hors du lit. L’exploitation de

procédé est complexe, en particulier au niveau du contrôle du niveau du lit lors des variations de

charge. Un bon calibrage de la taille des particules permet un fonctionnement optimal du

procédé.

Les procédés à lit fluidisé (figure 13) circulant ont vitesse de fluidisation est plus élevée (4-6

m/s), si bien qu'une partie des particules du lit est entraînée hors du réacteur. Un cyclone

permet de séparer la phase solide, pour la faire ensuite recirculer dans le lit. La phase solide est

donc continuellement en mouvement dans le réacteur.

La plupart des procédés développés actuellement à l'état de démonstration sont basés sur le

principe du lit fluidisé circulant.



Les procédés à lit entrainé utilisent un combustible finement pulvérisé dans un jet d’oxygène. A

l’intérieur du réacteur, la gazéification a lieu au milieu d’un nuage de particules très fines. La

réaction s’opère dans à haute température et à haute pression, qui dans ces conditions donnent

des rendements élevés. En revanche, le rendement thermique est un peu inférieur car il est

nécessaire de refroidir le gaz de synthèse avant de l’utiliser. Pour pallier à ce problème, la

chaleur retirée du gaz est revalorisée grâce à un système de cogénération. Du fait des hautes

températures dans le réacteur, il n’y a pas de formation de goudron ou de méthane et cela a pour

effet de produire du gaz propre. Par contre, cet aspect avantageux propre au procédé entraine

une forte consommation en oxygène.

Les procédés de gazéification à lit fluidisé conviennent particulièrement aux unités de taille

industrielle. Par ailleurs, la préparation de la biomasse avant son introduction dans le réacteur

est particulièrement onéreuse.

1.7.3. Données comparatives sur les diverses technologie de gazéification.

Figure 15: Contraintes que doit respecter la biomasse pour les différents types de gazéificateurs (12)

Les données du tableau ci-dessus nous montrent que les procédés à lit fixe utilisent des

biomasses de granulométrie de n’importe quelle taille contrairement aux procédés à lit fluidisés.

Cela implique qu’en pratique la biomasse doit être broyée à l’avance avant d’être utilisée dans les

gazéifieurs à lit fluidisés. Par ailleurs, les procédés à co-courant et à lit entrainé ne tolèrent que

des biomasses à faible taux d’humidité (inférieur à 15%) tandis que les procédés à contre-

courant ou à lit fluidisés tolèrent les biomasses assez humides (entre 40 et 50%). Le tableau 15

résume les avantages et inconvénients des différents procédés de gazéification.



Figure 16: Avantages et inconvénients des différents procédés pour la gazéification de la biomasse (15)

La figure 17 présente les gammes de puissances envisageables des installations de gazéification

en fonction de la technologie utilisée. Les gazéifieurs à lits fixe sont plus adaptés pour les

installations de faibles puissances (de quelque kilowatt à 10 mégawatt) tandis que les procédés à

lits fluidisés sont plus adaptés pour les installations de grandes puissances (au-delà de 10

mégawatt).

Figure 17: Puissance des installations envisageables (15)



1.8. Les applications de la gazéification.

La gazéification présente un potentiel considérable pour la valorisation thermochimique de la

biomasse. Grâce au développement des énergies renouvelables, la gazéification a bénéficié d’une

importante évolution technologique due aux travaux de recherche des meilleures institutions

mondiales œuvrant dans le domaine des énergies renouvelables. Cette avancée technologique a

ouvert la voie à plusieurs applications pertinentes de la gazéification dans la production

d’énergie. Les usages les plus courants de la gazéification sont La production directe de chaleur

et la production d’électricité ou la cogénération

Une utilisation prospective mais très prometteuse de la gazéification de la biomasse est la

synthèse de carburants et de produits chimiques d’intérêts.

1.8.1. La production directe de chaleur.

La gazéification est le plus souvent utilisée pour la production de chaleur grâce à la combustion

directe du gaz produit dans un foyer ou une chaudière. La chaleur produite par le gazéifieur sert

pour les chauffages domestiques ou collectifs, la transformation agroalimentaire (séchage,

cuisson), les transformations industrielles qui requièrent la chaleur. Les figures 18 et 19

illustrent bien le principe de l’application thermique de la biomasse.

Figure 18: Application thermique de la gazéification (16)

Les rendements obtenus par la production directe de chaleur sont les meilleurs obtenus dans ce

procédé et varient souvent entre 70% et 95%. Cela peut s’expliquer par le fait qu’il n’est pas

nécessaire de refroidir le gaz ou de condenser les goudrons avant utilisation. Les technologies



dans le domaine de la production de chaleur sont conceptuellement simples, facile à optimiser,

conviennent à la plupart des biomasses et sont parfaitement maitrisées. En plus, l’investissement

pour la réalisation de gazéifieurs à production directe de chaleur est relativement abordable. On

trouve également ces gazéifieurs à différents échelles selon les besoins de l’application. La

puissance thermique de ces gazéifieurs varie souvent entre quelques kilowatts à plusieurs

mégawatts.

Figure 19: Gazéifieur à application thermique. (16)

1.8.2. La production d’électricité

L’utilisation de la gazéification dans la production d’électricité est plus récente que la production

directe de chaleur. Cette technologie est toujours en pleine évolution, même si elle est assez bien

maitrisée.

Le principe de la production d’électricité à l’aide d’un gazéifieur consiste à convertir de la

biomasse en gaz dans un réacteur approprié puis introduire ce gaz dans un moteur à combustion

interne tel qu’un moteur ou une turbine à gaz, couplé à un alternateur. Ce dernier composant se

charge de convertir l’énergie contenue dans le gaz en électricité. Une pile à combustible haute

température (de type SOFC ou MCFC par exemple) peut également être utilisée à la place d’un

moteur à combustion interne, mais cette option technologique est encore au stade de

recherche/développement.



L’utilisation du gaz de synthèse pour la production d’électricité présente une contrainte majeure

étant la cause de beaucoup d’échec. Il s’agit de l’épuration du gaz produit par la gazéification

avant son utilisation sur les machines produisant l’électricité.

L’objectif de l’épuration du gaz est de réduire la teneur en goudrons et en poussières pour

atteindre un teneur de moins de 10 mg/m3 de gaz pour l’utilisation dans un moteur à

combustion interne.

Pour atteindre cet objectif, les moyens suivants peuvent être employés:

L’utilisation d’un séparateur de particules ou cyclone pour l’élimination des poussières

dans le gaz juste à la sortie du réacteur.

Le refroidissement du gaz se fait généralement à l’intérieur d’échangeurs de chaleur

utilisant l’eau comme liquide de refroidissement. Le refroidissement du gaz entraine la

condensation d’une part importante des goudrons et de la vapeur d’eau.

L’élimination catalytique à haute température des goudrons dans un réacteur secondaire

placé en aval du gazéifieur.

La gamme de puissance des groupes électrogènes fonctionnant au gaz de synthèse s’étend de 3 à

500 KWe. Au-delà de 500 KWe, l’usage d’une turbine à gaz est préconisé, car ainsi on obtient de

meilleurs rendements. Les rendements de conversion se situent entre 15 et 26% en production

d’électricité contre 35 à 50% pour l’usage thermique directe. Les puissances produites sont de

l’ordre de 1 à 1,3 KWh électrique par kilogramme de bois contre 1,7 à 2,5 KWh thermique par

kilogramme de bois.

De plus en plus, les constructeurs de gazéifieurs produisant de l’électricité ont intégré le concept

de la cogénération électricité/chaleur dans leurs modèles les plus récents. Le concept de

cogénération à partir de la gazéification de la biomasse est représenté sur la figure 20.



Figure 20: Schémas d'une centrale de gazéification à cogénération (16)

Grâce à ce concept, le rendement énergétique des gazéifieurs a été amélioré. La chaleur est

récupérée durant les opérations de traitement de gaz et au niveau des moteurs thermiques grâce

à des échangeurs de chaleur. Cette chaleur est généralement transmise à l’eau et est utilisé pour

le chauffage.



2. TESTS DE PERFORMANCES, CARACTERISATION DU GAZEIFIER A COQUES

D’ANACARDES

2.1. Matériels et méthodes La détermination des performances du prototype de gazéifieur à coque d’anacarde est une étape très

importante du projet. Cette étape du projet permet d’obtenir des données importantes sur le

fonctionnement du gazéifieur afin de juger de sa capacité à atteindre les objectifs fonctionnels fixé lors de

la phase de conception. A partir des données obtenues, il sera alors possible de valider le produit ou

d’envisager des optimisations afin d’améliorer ses performances.

2.1.1. Description et principe de fonctionnement du gazéifieur à coques d’anacardes

Le gazéifieur à coque d’anacarde sur lequel porte notre étude est basée sur un gazéifieur à balle

de riz conçu par le Center for Rice Husk Energy Technology (CRHET4). Le modèle de ce gazéifieur

représenté sur la figure 21 est le CFRHG5 40D. Le diamètre de la chambre de réaction est de 40

centimètres. Ce modèle de gazéifieur est à lit fixe et à fonctionnement co-courant (downdraft).

La biomasse est introduite dans le réacteur par le haut et est gazéifiée au bas du réacteur. L’air

nécessaire au processus de conversion est également introduit dans la partie supérieure du

réacteur, d’où il traverse tout le lit de biomasse en phase de séchage ou de pyrolyse jusqu’à la

zone de combustion. Au fur et à mesure de la gazéification, les cendres sont évacuées à la base du

réacteur. Le gaz produit à l’intérieur de la chambre de combustion est canalisé vers le bruleur

après être passé par un séparateur de particules. Le gazéifieur possède des souffleurs d’air dont

l’un assure l’alimentation de la réaction en air et l’autre alimente le brûleur en air afin

d’améliorer la combustion du gaz produit.

4 www.crhet.com

5 Continuous Flow Rice Husk Gasifier



Figure 21: Schéma de principe et vue isométrique du CFRHG 40D (17)

Le gazéifieur à coque d’anacarde a été conçu suite à un certain nombre de problèmes identifiés

lors de l’utilisation du modèle CFRHG 40D pour gazéifier les coques d’anacarde. Les problèmes

de fonctionnement identifiés lors de la gazéification des coques d’anacarde avec le CFRHG 40D

sont :

Les fuites de fumées constatées au niveau du compartiment de chargement et à l’orifice

de décharge des charbons. Cela s’explique par le fait que la granulométrie des coques

d’anacarde ne permet pas une densification des lits de biomasse et de charbon. Cette

densification permet d’éviter les fuites de gaz lors de la gazéification de la balle de riz.

La décharge des charbons en fin de la gazéification est difficile car la taille des charbons

rend leur passage difficile dans l’orifice de décharge.

A la fin de la consommation de la biomasse dans le réacteur, les gaz très chauds

remontent dans le compartiment de chargement de biomasse et enflamment la coque

d’anacarde.

Le bruleur horizontal du CFRHG 40D n’est pas adapté à l’utilisation dans une chaudière.

Le premier prototype du gazéifieur à coques d’anacarde a été conçu afin de pallier aux

défaillances de fonctionnement citées ci-dessus.



Le prototype de gazéifieur à coque d’anacarde qui fait l’objet de la présente étude est représenté

sur la figure 22. Il peut être divisé en trois parties fonctionnelles :

Le réacteur

La chambre de gazéification

Les conduites de circulation de gaz et d’air chaud

Figure 22: Schéma du gazéifieur à coques d’anacarde

a. Le réacteur

Le réacteur du gazéifieur à coques d’anacardes représenter à la figure 23 comporte le

compartiment de chargement de la biomasse et la chambre de réaction. Ces deux compartiments

communiquent à l’aide d’un sas l’alimentation.

Le compartiment de chargement de biomasse est un cylindre d’un diamètre de 50 cm et

d’une hauteur d’environ 30 cm terminé par un cône. Ce compartiment est situé au-dessus



du sas d’alimentation. Elle reçoit la biomasse en attente d’être introduite dans la chambre

de réaction.

Le sas d’alimentation. Permette d’introduire la biomasse contenue dans le compartiment

de chargement. Une plaque métallique se déplaçant dans une glissière permet l’ouverture

d’un orifice à travers lequel la biomasse tombe par gravité dans la chambre de réaction.

Le sas est fermé durant le fonctionnement du gazéifieur. Elle est ouverte pour

l’alimentation de biomasse ou pour les travaux de maintenance du gazéifieur.

La chambre de réaction est construite à l’aide de deux cylindres coaxiaux de diamètres

différents. Le cylindre intérieur à un diamètre de 40 cm et une hauteur 120 cm. Le

cylindre extérieur à elle un diamètre de 50 cm pour une hauteur de 100 cm. Le séchage,

la pyrolyse et la combustion ont lieu à l’intérieur du cylindre intérieur. L’espace de 5 cm

entre les deux cylindres jour le rôle d’isolant et de passage pour l’air introduite dans le

réacteur pour la gazéification. Lors du fonctionnent l’air circulant dans cette espace se

préchauffe au contact avec la paroi du cylindre intérieur en contact avec la zone de

combustion. Cet air préchauffé contribue au séchage de la biomasse. Le diamètre du

cylindre intérieur à une influence directe sur la puissance du gazéifieur ; celle-ci

augmente avec le diamètre.

Figure 23: Schémas du réacteur du gazéifieur à coque d'anacarde



b. La chambre de gazéification.

La chambre de gazéification est le compartiment du gazéifieur où s’opère la réaction de

réduction des gaz de combustion ou gazéification du charbon. Elle contient le charbon résiduel

issu de la combustion de la biomasse dans la chambre de combustion. Les gaz de combustion y

traversent le lit de charbon où elles sont réduites en monoxyde carbone et en hydrogène,

composants essentiel du gaz de synthèse. La chambre de gazéification, représenté dans la figure

24, comporte une partie cylindrique en dessous de laquelle est placée une partie conique. La

partie conique se termine par un double sas destiné à décharger les cendres et le charbon à la fin

du processus. Le cylindre intérieur du réacteur communique directement avec la chambre de

gazéification ; en effet elle descend de 15 cm à l’intérieur du cylindre. La partie cylindrique de la

chambre de gazéification est réalisée à l’aide de deux cylindres coaxiaux, l’un de 50 cm de

diamètre et l’autre de 60 cm; la hauteur de la partie cylindrique est d’environ 38 cm. Le cylindre

intérieur contient le lit de charbon où se produit le gaz combustible qui remonte à travers

l’espace entre les cylindres intérieurs du réacteur et de la chambre de gazéification pour

rejoindre les conduites de gaz. Comme dans le cas du réacteur, il existe un espace d’environ 5 cm

entre les cylindres intérieur et extérieur de la chambre de gazéification. De l’air est soufflé dans

cette parois où il se préchauffe avant de rejoindre le brûleur où il s’additionne avec le gaz

combustible afin d’en améliorer la combustion. La chambre de gazéification possède 3 orifices

destinés à l’amorçage de la combustion lors du démarrage de la gazéification.

Le cône de la chambre de gazéification contient un lit de cendre ou de charbon jouant le rôle de

zone morte c’est-à-dire qu’elle ne participe pas à la réaction. Cette zone est progressivement

remplacée par les cendres et les charbons résiduels issus du lit de réduction. La partie conique

de la chambre de réaction se termine par deux sas de décharge des résidus de gazéification. Ce

système de double sas permet de décharger les résidus de gazéification en cours de processus

tout en évitant les fuites de gaz durant l’opération.



Figure 24: Schéma de la chambre de gazéification

c. Les conduites de circulation de gaz et d’air chaud

Le gaz combustible produit dans la chambre de gazéification chemine à l’intérieur de conduites

en acier de 75 centimètres de diamètre jusqu’au brûleur. A la sortie de la chambre de

gazéification, le gaz est chargé de particules de charbon et d’aérosols susceptibles de se déposer

dans les conduites et de les encrasser au fur et à mesure de l’utilisation du gazéifieur ce qui

risquerait de réduire les performances du système. Un séparateur de particules a été installé à la

sortie de la chambre de gazéification afin de réduire la quantité de particules de charbon et

d‘aérosols contenues dans le gaz. Le séparateur de particules est muni de deux bouchons

permettant de recueillir les particules et les aérosols et d’accéder aux tubes pour le nettoyage

périodique.

Outre les tubes de circulation du gaz, le gazéifieur possède un circuit qui convoi l’air préchauffé

dans la double enveloppe de la chambre de gazéification vers le brûleur pour y être mélanger

avec le gaz combustible produit.

Le gazéifieur possède aussi un système de sécurité dont le rôle est de réguler la pression du gaz à

l’intérieur de la chambre de gazéification. En cas d’obturation des tubes de circulation du gaz,



celui-ci est acheminé vers des tuyaux plongés dans un récipient d’eau pour y être refroidi. Cela

empêche le gaz chaud et chargé de goudrons et de monoxyde de carbone de s’échapper du

gazéifieur au risque de nuire à la santé des opérateurs.

Les tubes sont assemblés à l’aide de brides afin d’en faciliter le démontage et le nettoyage.

La figure 25 représente l’ensemble des conduites formant les circuits de circulation du gaz et

d’air chaud

Figure 25: Conduites de circulation de gaz et d’air chaud du gazéifieur à coque d’anacarde

d. Les souffleurs d’air (Centrifugal Blower).

La gazéification nécessite un apport en air dont le débit et la pression peuvent influencer les

mécanismes réactionnels conduisant à la production du gaz combustible et donc les

performances du gazéifieur. Pour assurer l’alimentation du gazéifieur en air, il a été installé un

souffleur d’air centrifuge représenté sur la figure 27. L’air est soufflé à l’intérieur de la double

paroi du réacteur où il se préchauffe avant d’être injecté dans le cylindre intérieur du réacteur

contenant la biomasse. Par ailleurs, un autre souffleur d’air identique au précédent est installé



sur le gazéifieur dans le but de souffler de l’air à l’intérieur de la double paroi de la chambre de

gazéification (figure 26 et 27). Cet air transite ensuite à l’intérieur de la conduite d’air chaud

jusqu’au brûleur.

Les souffleurs d’air du gazéifieur fonctionnent grâce à un moteur électrique monophasé de 230

Volts. L’admission d’air des souffleurs est réglable grâce à des opercules dont la position

correspond à un débit d’air.

Figure 26: Vue d'un souffleur d'air du gazéifieur

Figure 27: Position des souffleurs sur le gazéifieur

Souffleur d’air gazéifieur

Souffleur d’air brûleur



2.1.2. Méthodologie de caractérisation des souffleurs d’air

Le débit d’air soufflé dans le réacteur est un facteur important pour les performances du

gazéifieur. Il est alors important de pouvoir quantifier le débit d’air produit par les souffleurs

afin de pouvoir déterminer le débit d’air optimal nécessaire pour la gazéification. Les souffleurs

utilisés sur le gazéifieur ont un débit d’air variable en fonction de l’ouverture de l’opercule

d’admission d’air.

La caractérisation des souffleurs à consister à déterminer le débit d’air soufflé et la puissance

électrique consommée par chaque souffleur en fonction de l’ouverture de l’opercule d’admission.

Ce test a été réalisé pour les deux souffleurs fonctionnant sur le gazéifieur, au laboratoire LESEE

avec la collaboration de M. Henri Kottin.

Les mesures effectuées lors du test de caractérisation des souffleurs nous permettent de calculer

les paramètres suivants :

Le débit volumique du souffleur

(

)

Avec d = diamètre de la sortie d’air du souffleur (d = 0,0635 m)

V = Vitesse mesurée à l’anémomètre

La puissance électrique consommée par le souffleur

I= intensité efficace du courant mesurée par l’ampèremètre

Courant alternatif

A

Shunt

Ampèremètre

Souffleur

Anémomètre

Figure 28: Schémas de câblage d'un souffleur pour essai de mesure



2.1.3. Méthodologie du Test d’ébullition de l’eau

Le test d’ébullition de l’eau a pour but d’estimer la puissance thermique utile produite par le

gazéifieur. Ce test consiste à placer un récipient préalablement rempli d’une quantité connue

d’eau au-dessus du bruleur du gazéifieur. On mesure le temps que met l’eau à atteindre la

température d’ébullition. Après cela on laisse bouillir l’eau durant un certain temps, après quoi

on pèse la quantité d’eau restante afin de déterminer la masse d’eau évaporé durant le test. La

différence de masse permet d’estimer l’énergie transmise à l’eau.

Pour le test d’ébullition de l’eau nous avons utilisé un foyer à huile végétal modifier et adapter au

brûleur du gazéifieur que nous désignons ici sous l’appellation de plateforme WTB6. (Figure 29)

Figure 29 : Vue de la plateforme de test d'ébullition de l'eau

6 Water Boiling Test



Le test d’ébullition de l’eau permet d’obtenir les valeurs suivantes :

La durée d’ébullition Te correspondant au temps écoulé entre le début du test et le

moment du début de l’ébullition de l’eau. Cette durée est exprimée en minute.

La durée de mijotage Tm fixée pour la phase de vaporisation de l’eau. Cette durée est

exprimée en minute

la quantité d’énergie noté Qe transmise à une masse d’eau pour élever sa température

d’une valeur initiale jusqu’à la température d’ébullition de l’eau.

la quantité d’énergie notée Qv à fournir pour évaporer une masse d’eau portée à

ébullition.

la puissance utile Pu qui est la puissance totale transmise à l’eau durant le test

d’ébullition.

2.1.4. Méthodologie de caractérisation de la biomasse.

Les différentes caractérisations des échantillons de biomasse (coques d’anacardes-charbon de

coque) ont été effectuées par chaque test de gazéification.

Les méthodologies suivantes ont été utilisées:

Types d’analyse Echantillons Référence (norme) Lieu d’analyse

Analyse immédiate Coques et charbon de

coques

AFNOR XP CEN/TS

14774-3 ;

XP CEN/TS 15148 ;

XP CEN/TS 14775 LBEB

Pouvoir calorifique Coques et charbon de

coques

PA-TH- LBEB NF M 03-

005



2.1.5. Méthodologie de caractérisation du gazéifieur à coque d’anacarde

La caractérisation du gazéifieur consiste à déterminer l’évolution d’un certain nombre de

paramètres propres au gazéifieur durant son fonctionnement. La détermination de ces

paramètres permet de comprendre leur influence sur les mécanismes qui entrent en jeu durant

le processus de la gazéification. Il sera possible alors d’optimiser le fonctionnement du gazéifieur

en agissant sur un certain nombre de ces paramètres afin d’influencer les mécanismes de la

réaction.

Nous avons pu réaliser quatre tests sur le gazéifieur à coques d’anacardes. En plus d’évaluer les

performances du gazéifieur à travers les tests d’ébullition de l’eau, le but de ces tests a été aussi

de collecter des données sur les paramètres de fonctionnement du gazéifieur afin de mieux le

caractériser. Les paramètres de fonctionnement qui ont été observés durant les tests sont les

suivants :

La durée de démarrage de la gazéification

La durée de démarrage de la gazéification est le temps écoulé entre l’amorçage du gazéifieur et le

moment où le gaz produite s’enflamme spontanément. (18)

La durée de la gazéification

Il s’agit du temps écoulé entre l’amorçage de la gazéification et le moment où le gaz produit n’est

plus inflammable. Ce dernier instant est marqué l’extinction de la flamme du brûleur. (18)

La consommation de biomasse.

Il s’agit de la masse de biomasse consommé par unité de temps. Elle peut être obtenue en faisant

le rapport de la masse de biomasse introduite dans le réacteur par la durée de la gazéification.

(18)

Avec : C= consommation de biomasse (kg/min)

M biomasse = masse de biomasse introduite dans le réacteur (kg)

DG = durée de la gazéification (min)



L’énergie de la biomasse

Il s’agit de la quantité d’énergie contenue dans la biomasse introduite dans le gazéifieur. Pour

obtenir sa valeur, la masse de coque chargée dans le réacteur est multiplié par le pouvoir

calorifique inférieur des coques. (18)

L’énergie du charbon

Il s’agit de la quantité d’énergie contenue dans le charbon retiré du gazéifieur à la fin de la

gazéification. Pour obtenir sa valeur, la masse de charbon retiré à la fin de la réaction est

multiplié par le pouvoir calorifique inférieur du charbon. (18)

L’énergie nette de gazéification.

Il s’agit de la quantité d’énergie mobilisée durant la gazéification. Elle est obtenue par différence

entre l’énergie de la biomasse et l’énergie du charbon. (18)

La puissance nette de gazéification

Cette puissance est obtenue en faisant le rapport de l’énergie nette de gazéification par la durée

de gazéification.

Le rendement massique

Le rendement massique représente la fraction massique du charbon obtenue à la fin de la

gazéification. La fraction massique est obtenue en divisant la masse de charbon par la masse

anhydre de biomasse introduite dans le gazéifieur.



⁄

Avec

R= rendement massique (%)

Mchar= masse de charbon (kg)

Mbiomasse= masse de biomasse (kg)

Th = taux d’humidité de la biomasse (%)

Le rendement thermique

Le rendement thermique du gazéifieur est l’un des paramètres de performance les plus

importants. Il représente la fraction de l’énergie de la biomasse convertie en énergie utilisable

durant la gazéification. Le rendement thermique du gazéifieur est obtenu en divisant la

puissance utile de test d’ébullition de l’eau par la puissance nette de gazéification.

La consommation spécifique en biomasse du gazéifieur

La consommation spécifique peut être définie comme la quantité de biomasse consommée pour

produire un kilowattheure d’énergie thermique. On l’obtient en divisant la consommation

horaire de biomasse du gazéifieur par la puissance utile produite. (18)

2.2. Résultats et discussions

Dans cette partie, nous présenterons l’ensemble des résultats que nous avons obtenus tout au

long de l’étude du gazéifieur à coque d’anacarde ainsi que leur analyse.

2.2.1. Caractérisation des souffleurs

Les tableaux 5 et 6 présentes la valeur de débits d’air et de puissance électrique obtenus à partir

des mesures effectuer lors des tests de caractérisation.



Position Vitesse

(m/s)

Intensité

(A)

Débit

m3/s)

Puissance

(W)

Débit

(m3/h)

0 7,7 0,956 0,02 219,88 87,79

1 11,4 0,947 0,04 217,81 129,97

2 14,5 0,949 0,05 218,27 165,31

3 16,3 0,958 0,05 220,34 185,83

4 17,3 0,958 0,05 220,34 197,24

5 18,04 0,958 0,06 220,34 205,67

Tableau 3: Valeurs expérimentales de débits et puissances du souffleur du gazéifieur

Position Vitesse (m/s)

Intensité(A) Débit (m3/s)

Puissance (W)

Débit (m3/h)

0 7,2 0,927 0,02 213,21 82,09

1 11,1 0,931 0,04 214,13 126,55

2 14,3 0,932 0,05 214,36 163,03

3 16,3 0,937 0,05 215,51 185,83

4 17,06 0,935 0,05 215,05 194,50

5 17,7 0,932 0,06 214,36 201,80

Figure 30: Valeurs expérimentales de débits et puissances du souffleur d'air du brûleur

Figure 31: Courbes de variation de la puissance et du débit d’air d’un souffleur en fonction de la position d’ouverture

Le débit d’air du souffleur d’air varie entre la valeur minimale de 87,8 m3/h à 205,7 m3/h pour le

souffleur d’air gazéifieur et de 82,1 m3/h à 201,8 m3/h pour le souffleur d’air brûleur. L’écart

moyen entre les débits d’air des deux souffleurs est d’environ 3 m3/h à position identique.

0

50

100

150

200

250

0 1 2 3 4 5 6

Positions d'ouverture du souffleur

Puissance (W)

Débit (m3/h)



La puissance consommée par le souffleur presque constant suivant les débits d’air. La puissance

maximale consommée est de 220,34 W pour le souffleur d’air gazéifieur et 215,5 W pour le

souffleur d’air brûleur.

2.2.2. Résultats d’analyses immédiates

L’analyse immédiate de la biomasse est très importante dans l’étude des performances du

gazéifieur. Elle permet de comprendre les mécanismes ayant lieu lors de la gazéification

d’obtenir des critères de comparaisons entre différents tests. Nous avons procédés au

prélèvement des coques et des charbons pour chaque test de gazéification réalisé Ces analyses

ont été réalisées au Laboratoire Biomasse Energie et Biocarburant du 2iE. Ces analyses nous ont

permis d’obtenir les valeurs regroupées dans le tableau 5 ci-dessous. :

Biomasse

Taux

d’humidité

Taux de

matière volatile

Taux de

carbone Fixe

Taux de

cendres

Test 1 Coques 8,29% 87,82% 1,74% 2,15%

Charbon 4,66% 17,95% 68,38% 9,01%

Test 2 Coques 7,91% 87,61% 2,47% 2,00%

Charbon 4,78% 21,03% 66,34% 7,85%

Test 3 Coques 6,74% 89,33% 2,79% 1,13%

Charbon 4,15% 12,86% 68,71% 14,29%

Test 4 Coques 5,82% 88,99% 3,90% 1,28%

Charbon 4,74% 16,04% 68,45% 10,77%

Tableau 4: Analyse immédiate de coques d'anacardes et charbons



Figure 32: Analyse immédiate de coques d'anacardes et des charbons issus des tests de gazéification

L’analyse des échantillons nous révèle un forte teneur en matière volatile dans les coques

d’anacardes. Le taux de matière volatiles avoisine la valeur de 90% de la masse des coques. En

revanche les taux de carbone fixe et de cendre sont très faibles. Le procédé de gazéification à co-

courant convient alors très bien pour les coques d’anacardes, puisque ce procédé, la combustion

des matières volatiles dégagées lors de la pyrolyse apporte l’énergie nécessaire à la phase de

réduction. Les charbons obtenus après la gazéification des coques ont des taux de matières

volatiles très faibles comparativement aux coques. En revanche, nous constatons une hausse

importante du taux de carbone fixe dans les charbons résiduels. Les coques sont fortement

dévolatilisés durant la gazéification.

2.2.3. Le pouvoir calorifique

Les valeurs de PCI et PCS des coques et des charbons issus des tests de gazéification sont

regroupées dans le tableau 6.

PCS PCI Taux de

variation du PCI Coques Charbon Coques Charbon

Test 1 23 657,65 28 797,99 21 878,56 27 110,17 19,30%

Test 2 23 038,49 29 795,74 21 268,90 28 104,81 24,32%

Test 3 23 060,32 27 609,05 21 320,14 25 934,03 17,79%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Taux de cendres

Taux de carbone Fixe

Taux de matière volatile

Taux d’humidité



Test 4 23 692,12 26 484,07 21 975,05 24 794,19 11,37%

Tableau 5: Valeur de pouvoirs calorifiques des échantillons par test

Figure 33: Variations du PCI entre les coques et le charbon par test

Les résultats d’analyse révèlent une valeur de PCI d’environ 23000 KJ/Kg pour les coques. Cette

valeur varie très peu d’un test à l’autre. En revanche, les valeurs de PCI des charbons obtenues

présentent des variations assez importantes d’un test à l’autre. Ces valeurs varient entre

24 794,2 KJ/Kg et 28 104,8 KJ/Kg. les taux de variation des PCI de charbon par rapport ceux des

coques sont de l’ordre de 24,32% à 11,37% suivant les tests.

2.2.4. Résultats de tests d’ébullition de l’eau

Test 1 Test 2 Test 3 Test 4

Pot 1 Pot 2 Pot 1 Pot 2

Masse d'eau initiale (Kg) 33,2 71,36 42,36 33,38 38,8 30,7

Masse d'eau Restante(Kg) 22,4 35,06 20,46 11,54 13,08 18,36

Température initiale (°C) 34,5 33,2 34,5 31,4 29,9 28,7

Température d’ébullition (°C) 99,6 99,2 99,7 99,8 99,2 99,9

Temps d'ébullition (min) 20 11 7 8 6 10

Temps mijotage (min) 30 81 30 30 30 30

Chaleur sensible(KJ) 9046,20 19712,70 11559,82 9556,30 11254,14 9148,83

Chaleur latente(KJ) 24409,84 82044,17 49497,72 49362,11 58131,57 27890,50

Puissance(KW) 11,15 18,43 27,50 25,84 32,12 15,43

Tableau 6: Résultats de test d'ébullition d'eau du gazéifieur

-

5 000,00

10 000,00

15 000,00

20 000,00

25 000,00

30 000,00


PCI Coques

PCI Charbon



Figure 34: Diagramme des puissances par test

Les tests d’ébullition d’eau ont pour but l’estimation de la puissance thermique du gazéifieur. La

puissance utile produite par le gazéifieur varie entre 11,15 KW et 32,12 KW. Ces résultats nous

révèlent des variations de la puissance du gazéifieur suivant les tests. Ce variation de puissance

peuvent trouver leur origine dans diverses que nous identifierons dans le paragraphe

d’interprétation des paramètres de performances du gazéifieur.

2.2.5. Résultats des tests de gazéification

Le gazéifieur à coques d’anacardes a été soumis à des tests au laboratoire de biomasse énergie et

biocarburant afin d’évaluer ses performances. Les paramètres de fonctionnement du gazéifieur

recensé durant les tests sont récapitulés dans le tableau 7 ci-dessus.

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

Pot 1 Pot 2 Pot 1 Pot 2


Puissance(KW)

Puissance(KW)




Masse de coque (Kg) 34,64

39,22

38,86 45,28

Débit d'air gazéification (m3/h)

205,67 87,79

Débit d'air de combustion du gaz (m3/h)

201,80

Masse de charbon produit (Kg)

9,25

0,26 5,56 7,26

Durée de gazéification (min)

88

110 103 164

Consommation (Kg/min)

0,394

0,357 0,377 0,276

Consommation

Spécifique (Kg/KWh) 2,118

1,160 0,823 0,876 0,516 1,073

Energie de la biomasse (KJ)

757 873,32

834 166,26 828 500,64 995 030,26

Energie du charbon (KJ) 250 769,07

7 307,25 144 193,21 180 005,82

Energie nette de gazéification (KJ)

507 104,25

826 859,01 684 307,43 815 024,44

Puissance nette (KW) 96,04

125,28 110,73 82,83

Puissance utile(KW) 11,15

18,43 27,50 25,84 32,12 15,43

Rendement massique (%)

29,12%

0,72% 15,34% 17,02%

Rendement thermique (%)

11,61%

14,71% 24,84% 23,34% 38,78% 18,63%

Tableau 7: Bilans de matière et d'énergie de gazéification



a. Bilan de matière du gazéifieur à coques d’anacarde

Les résultats des tests de gazéification, nous montre que la consommation de biomasse du

gazéifieur a varié suivant les tests. La plus grande consommation de biomasse a été constatée au

test N°1 avec une valeur de 0, 394 Kg/ min. La consommation la plus faible a été constatée au

test N°4 pour une valeur de 0,276 kg/min. Nous aussi remarquons que les valeurs de

consommations de biomasse pour les trois premiers tests sont nettement plus élevées que la

valeur du test N°4. La variation du débit d’air est susceptible d’être à l’origine de ce phénomène.

Pour les trois premiers tests, le débit d’air est resté le même soit environ 205,67 m3/h tandis que

le débit d’air du test N°4 est de 87, 79 m3/h. L’augmentation du débit d’air de gazéification a pour

effet d’accélérer la consommation de biomasse du gazéifieur, ce qui peut s’expliquer par le fait

que cette augmentation du débit d’air favorise les réactions exothermiques et rapides de

combustion de la biomasse (figure 36).

Le rendement massique de gazéification varie aussi suivant le test. Elle est maximale pour le test

N°1 (29,12%) et retombe entre 15,34% et 17,02% respectivement pour le test N°3 et N°4. La

valeur 0,72% obtenu lors du test N°2 est erronée. Suite à une erreur de manipulation du

réacteur, la consommation de charbon s’est poursuivie après la fin de la gazéification. Le

rendement massique ne semble pas influencé par le débit d’air car la variation du rendement

massique entre les tests N°3 et N°4 est de l’ordre de 1,7% pour une variation de débit d’environ

117,9 m3/h entre ces deux tests. Cette même variation du rendement massique atteint 13,78%

entre le test N°1 et le Test N°4 alors que le débit d’air lors de ces tests sont identiques (Figure

37).

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5


Consommation(Kg/min)

Consommation(Kg/min)

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%


Rendement massique(%)

Rendementmassique(%)

Figure 35: Consommation de biomasse par test Figure 36: Rendement massique par test



b. Analyses des résultats de performance du gazéifieur

Les figures 38 et 39 présentent les résultats de rendement et de consommation spécifique

obtenue lors des tests.

Le premier constat que nous pouvons faire sur les performances énergétiques du gazéifieur est

la variation du rendement thermique suivant les tests réalisés. Le rendement thermique le plus

bas a été constaté lors du test N°1. Le rendement obtenu pour ce test est d’environ 11,61%. Le

rendement le plus élevé a été obtenu lors du test N°4 soit une valeur d’environ, 38,78%. Une

analyse approfondie des données des différents tests nous révèle un certain nombre de facteurs

influant sur le rendement thermique. Le premier facteur que nous avons identifié est l’état

d’encrassement des conduites de gaz. Lors du fonctionnement du gazéifieur, les goudrons et les

résidus de charbons contenus dans le gaz produit se déposent dans les conduites de gaz

réduisant les performances du gazéifieur. Le rendement obtenu au test N°1 illustre bien ce

phénomène. Après le test N°1, les conduites de gaz ont été nettoyées, nous avons alors constaté

une nette amélioration des performances du gazéifieur pour les tests qui ont suivi. Le deuxième

facteur que nous avons identifié est le débit d’air de gazéification. Deux phénomènes nous ont

permis d’identifier le débit d’air comme étant un facteur influant sur le rendement thermique.

Dans un premier temps, nous avons constaté une hausse significative du rendement thermique

(38,78%) au test N°4, où le débit d’air était de 87,79 m3/h, par rapport aux tests précédents où le

débit d’air était d’environ (205,67 m3/h). Dans un second temps, nous avons pu réaliser 2 tests

d’ébullitions de l’eau lors des tests de gazéification N°3 et N°4. Le constat est que les rendements

sont plus élevés pour les premiers tests d’ébullition d’eau que pour les seconds, ce qui implique

une variation de la puissance dans le temps au cours d’une gazéification. Le facteur responsable

de ces variations de puissance et de rendement est le ratio d’équivalence. En effet, en mode de

fonctionnement de type batch comme c’est le cas pour nos tests, le débit d’air reste constant

tandis que la masse de biomasse dans le réacteur diminue au cours du temps. Il en résulte alors

une variation du ratio d’équivalence de la gazéification qui augmente au cours du temps. Quand

le ratio d’équivalence devient supérieur à la valeur optimale pour une gazéification, soit environ

25% (cf. partie 2.4, il en résulte une baisse du PCI du gaz combustible produit, et donc de la

puissance du gazéifieur.



Le troisième paramètre influençant la puissance du gazéifieur est l’humidité de la biomasse. Les

figures 27 et 28 nous montrent bien une baisse de la puissance et du rendement thermique du

gazéifieur au fur de l’augmentation de la teneur en eau de la biomasse.

Figure 37: Rendement thermique par test

Figure 38: Consommation spécifique de biomasse par Kilowattheure produit

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

Test 1 Test 2 Test 3.1 Test 3.2 Test 4.1 Test 4.2

Test 3 Test 4

Rendement thermique(%)

Rendementthermique(%)

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Test 1 Test 2 Test3.1

Test3.2

Test4.1

Test4.2

Consommation spécifique (Kg/KWh)

Consommation spécifique(Kg/KWh)



Figure 39: Variation de la puissance utile en fonction de l'humidité de la biomasse

Figure 40: Variation de rendement thermique en fonction de l'humidité de la biomasse

2.3. Synthèse des tests de caractérisation du gazéifieur à coque d’anacardes.

Les tests de performances réalisés sur le gazéifieur à coque d’anacardes, nous ont fourni les

informations sur les paramètres de fonctionnement du gazéifieur à coque d’anacardes en

fonctionnement batch.

L’étude de l’influence des paramètres de fonctionnement du gazéifieur sur ses performances a

permis de faire les remarques suivantes :

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

0,00% 2,00% 4,00% 6,00% 8,00% 10,00%

Puissance utile(KW)

Puissanceutile(KW)

0,0%

5,0%

10,0%

15,0%

20,0%

25,0%

30,0%

35,0%

40,0%

45,0%

0,0% 2,0% 4,0% 6,0% 8,0% 10,0%

Rendement thermique(%)

Rendementthermique(%)



L’état d’encrassement des conduites influe grandement sur l’évaluation des performances

du gazéifieur par le brûleur et probablement aussi sur la gazéification elle-même. cela

implique qu’un nettoyage régulier des conduites de gaz est indispensable pour garantir

un fonctionnement optimal du gazéifieur.

Le débit d’air constitue aussi un facteur influant sur les performances du gazéifieur. Lors

de nos tests, nous avons observé que les meilleures performances énergétiques ont été

obtenues pour un débit d’environ 87,8 m3/h, débit minimal du souffleur d’air. Cependant,

cette puissance baisse au fur et à mesure de la consommation de biomasse. Cela est

imputable à la hausse du ratio d’équivalence durant la gazéification entrainant la baisse

de PCI du gaz produit.

L’humidité des coques joue aussi un rôle déterminant sur les performances de la

gazéification. Plus cette humidité est faible, plus la puissance utile du gazéifieur est

importante et meilleur est le rendement thermique du gazéifieur.

Le gazéificateur à coque d’anacarde produit une puissance thermique maximale d’environ 32,12

KW et a un rendement thermique maximal de 38,8% dans les conditions optimales de

fonctionnement que nous avons identifiées. Ces paramètres sont les suivants :

Masse de chargement de coques d’environ 45 kg

Humidité des coques d’environ 5,8%

Débit d’air d’environ 87, 8 m3/h

Dans ces conditions de fonctionnement, la consommation de biomasse du gazéifieur est

d’environ 0,28 kg de coques par minute. La consommation spécifique de biomasse est d’environ

0,52 Kg de coque par KWh thermique produit et le rendement massique du gazéifieur dans ces

conditions est d’environ 17%.



3. OPTIMISATION DU GAZEIFIEUR

Les tests de gazéifications que nous avons réalisées sur le gazéifieur à coque d’anacardes nous a

permis de déceler des problèmes qu’il convient de corriger afin d’améliorer les performances du

gazéifieur à coque d’anacarde. Ces améliorations apportées au gazéifieur ont permis la mise au

point deux prototypes améliorés du gazéifieur à coques d’anacarde.

3.1. Amélioration sur la chambre de gazéification et le réacteur.

Durant les tests de gazéification, nous avons pu remarquer des fuites de gaz et de la

condensation de goudrons et de probablement de CNSL au niveau des sas inférieurs du

gazéifieur (voir Figure 42). Ce phénomène peut s’expliquer par la présence d’une zone morte

dans la partie inférieure de la chambre de réaction. La température de cette zone n’est pas assez

élevée pour que s’opère les réactions de conversion des goudrons. Les goudrons non convertis

représentent une part de l’énergie perdue durant la gazéification. Afin de minimiser ces pertes,

la solution proposée consiste à supprimer la zone morte en la transformant en zone réactive où

la température permet la conversion des goudrons en gaz combustible. Pour atteindre cet

objectif, les modifications à opérer sur le gazéificateur sont les suivantes :

La réduction de la hauteur du cône de la chambre de réaction permettra de garder une

température favorable à la réaction de conversion des goudrons dans la partie inférieure

de la chambre de gazéification (voir figure 43).

La création d’entrées d’air au niveau de la zone de combustion du réacteur, juste au-

dessus des bouches d’amorçages. En soufflant de l’air directement dans la zone de

combustion, cela aura pour effet d’augmenter la température à l’intérieur de la chambre

de combustion favorisant ainsi les réactions endothermiques (voir figure 43).

L’augmentation de la longueur de la partie du cylindre intérieur du réacteur d’environ 15

cm dans la chambre de réaction permettra au gaz de traverser une plus grande épaisseur

de lit de réduction. Le temps de séjour du gaz dans le lit de réduction sera ainsi augmenté,

cela permettra sans doute une meilleure gazéification du lit de charbon constituant la

zone de réduction (voir figure 43).

Les effets attendus de ces optimisations sont l’amélioration du rendement thermique du

gazéifieur par l’augmentation de la production de gaz combustibles et la conversion d’une plus



grande proportion du charbon de la zone de réduction. La création d’entrées supplémentaires

impose un meilleur contrôle du débit afin de garder un ratio d’équivalence optimal.

Figure 41: Vue des goudrons condensés

Figure 42: Aperçu des prototypes de gazéifieur



3.2. Améliorations fonctionnelles sur le gazéifieur.

Des modifications supplémentaires sur le gazéifieur à coque d’anacardes sont nécessaires afin

d’améliorer son fonctionnement. Les modifications .proposées sont les suivantes :

Le compartiment d’alimentation actuel comporte un seul sas. Dans cette configuration,

l’alimentation en biomasse du gazéifieur durant le fonctionnement peut s’avérer

périlleuse pour l’opérateur. En effet, l’alimentation du gazéifieur durant son

fonctionnement entrainera l’émanation du gaz chaud et chargé de matières toxiques (CO,

goudrons) par le sas d’alimentation exposant ainsi l’opérateur à un danger certain. Pour

éviter un tel scénario, un système de double compartiment comportant deux sas (voir

Figure 32) est proposé. Avec ce système, l’opérateur verse la biomasse dans le

compartiment supérieur, ensuite il ouvre le sas supérieur afin de faire tomber la

biomasse dans le compartiment inférieur. Après cela, le sas supérieur est refermé.

L’opérateur peut alors ouvrir le sas inférieur pour introduire la biomasse dans le

réacteur et le referme ensuite. Durant cette étape, le gaz émanant du réacteur reste piégé

dans le compartiment inférieur Ainsi, l’opérateur n’est plus directement exposé au gaz

émanant du réacteur.

Les sas de déchargement du gazéifieur actuels sont horizontaux. Nous observons des

coulées de goudrons ou de CNSL sur les plaques glissantes des sas durant la gazéification.

Ces goudrons en se solidifiant augmentent l’adhérence des plaques glissantes sur les

glissières rendant difficile la manipulation des sas. L’inclinaison des sas (voir Figure 32)

pourrait permettre un meilleur écoulement de cette phase liquide relativement chaude

pendant la gazéification et limiter ainsi le problème d’adhérence des plaques glissantes

sur les glissières associé à la présence de goudrons résiduels.

La configuration actuelle des conduites de circulations de gaz ne facilitent pas leur

nettoyage. Afin de faciliter le nettoyage des conduites de circulations de gaz, les coudes

actuellement installés seront remplacés par des Tés munis de bouchons (Voir figure 33).

Cette configuration facilitera le nettoyage périodique des conduites de circulation de gaz.

Une version autre du gazéifieur destinée à fonctionner en batch a été conçue pour limiter

les problèmes de fuites de gaz observés lors d’expérimentations menées sur le gazéifieur

comportant des sas (cf. annexe tests de Loumbila). Dans cette version les sas



d’alimentation et de déchargements sont remplacés par des couvercles étanches munis de

système de blocage (voir Figure 32).

Figure 43: Aperçu de modification des conduites de circulation de gaz



CONCLUSION ET PERSPECTIVES L’objectif principal de nos travaux réalisés au Laboratoire Biomasse Energie et Biocarburants du

2iE a été l’étude et la caractérisation du gazéifieur à coque d’anacardes conçu par l’entreprise

ISOMET. Dans un premier temps, nous avons effectué une synthèse bibliographique d’une part

sur les coques d’anacarde et d’autre part, sur la gazéification afin de mieux comprendre les

mécanismes liés à ce processus de transformation de la biomasse et de faire l’inventaire de

l’ensemble des technologies de gazéification existantes, leurs particularités intrinsèques et leurs

applications. . A l’issue de cette investigation bibliographique, nous avons procédé à des

expérimentations sur le gazéifieur faisant l’objet de notre étude. Les objectifs de cette

expérimentation ont été la caractérisation du fonctionnement du gazéifieur ainsi que l’évaluation

de ses performances. A chaque test de gazéification, nous avons évalué un certain nombre de

paramètres sur le gazéifieur tels que la puissance thermique, la quantité de biomasse

consommée, la durée de la gazéification et le débit d’air apporté à la réaction. Les tests

d’ébullition de l’eau nous ont donné une puissance du gazéifieur variant entre 11,15 KW et 32,22

KW pour un débit d’air variant entre 87,79 et 205,67 m3/h. La consommation de la biomasse

varie entre 0,394 Kg/min et 0,276 Kg/min. Nous avons aussi caractérisé les coques d’anacarde

et les charbons pour chaque test de gazéification grâce aux analyses immédiates réalisées au

laboratoire. Les résultats de ces analyses nous ont révélé une forte teneur en matière volatile

(jusqu’à 89,3%) dans les coques d’anacardes. Cette propriété fait des coques d’anacarde une

biomasse particulièrement adaptée pour la gazéification. Le croisement des résultats des tests de

gazéification et des analyses de la biomasse, nous ont révélé que les performances de la

gazéification sont d’autant meilleures que l’humidité de la biomasse est faible. Sur la base des

résultats des tests de performances et aux observations faites durant les gazéifications, nous

avons proposé des optimisations à apporter sur le gazéifieur afin d’en améliorer les

performances et le fonctionnement.

. La gazéification des coques d’anacardes présente des perspectives intéressante et notre étude

ouvre la voie à la recherche de solutions afin d’améliorer les technologies dans le domaine.

Notre étude a permis de comprendre le fonctionnement du gazéifieur, d’évaluer ses

performances énergétiques et de l’optimiser sur la base d’insuffisances recensées lors des tests.

Les prototypes améliorés proposés dans notre étude doivent être testés et validés avant de



servir à la construction d’autres gazéifieurs. Des aspects, comme les mécanismes

thermochimiques lors de la gazéification, la caractérisation du gaz produit, et l’étude d’impacts

environnementaux et technico-économiques après l’installation du gazéifieur dans l’unité de

Dakoro, pourront alors faire l’objet d’études complémentaires. Il serait aussi intéressant

d’étudier l’influence du changement d’échelle du gazéifieur sur ses performances et sur les

impacts cités précédemment. Ce changement d’échelle permettra de produire des gazéifieurs

adaptés à la taille et aux besoins des unités de transformation d’anacardes.



REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 1. Luc, SUTTER Pierre. Analyse de la filière anacarde au Burkina-Faso: identification des leviers d'actions

pour une meilleure valorisation des ressources paysannes. Juillet 2010.

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18. Alexis, Belonio T., H, Belonio Daniel Alexis et Lucio.E, Larano. TRAINING MANUAL ON RICE HUSK

GAS STOVE. Iloilo city, Phillipine : s.n., 2010.



ANNEXES

ANNEXE 1 : Mode opératoire de caractérisation des souffleurs

Le test de détermination du débit d’air et la consommation électrique en fonction de la position

d’ouverture de l’opercule d’admission d’air du souffleur. La course de l’opercule entre la position

Fermée à la position totalement Ouverte a été subdivisée en six points équidistants notés de 0 à

5. La position 0 correspond à la fermeture totale de l’opercule, la position 5 correspond à

l’ouverture totale. Les souffleurs ont été montés sur un banc d’essai électrique suivant les

schémas d’électrique ci-dessous.

La vitesse de l’air à la sortie du souffleur est mesurée à l’aide d’un anémomètre tandis qu’un

ampèremètre monté en série avec le moteur mesure l’intensité du courant absorbé par le moteur

électrique du souffleur.

Les essais de mesures sur les souffleurs sont effectués suivant les étapes ci-après :

1. Câblage d’un moteur sur le banc d’essai suivant le schéma électrique de montage

2. Activation du contact du banc d’essai et mise en marche du souffleur

3. Attente 30 secondes pour que le souffleur soit en régime stationnaire

4. Déconnexion du shunt de l’ampèremètre pour commencer les mesures d’intensité

5. Réglage de l’ouverture de l’opercule sur position i (i = 0,1,…,5)

6. Positionnement de l’anémomètre à la sortie d’air du souffleur

7. Attente de stabilisation de la vitesse sur le l’afficheur numérique de l’anémomètre et

lecture de la vitesse

8. Lecture de l’intensité du courant sur l’ampèremètre

9. Changement de la position de l’opercule vers le point suivant

10. Répétions des étapes 5 à 9

11. Arrêt du moteur



ANNEXE 2 : Conduite du gazéifieur

Pour les tests de caractérisation du gazéifieur à coque d’anacarde nous avons choisi un mode de

fonction par batch. Cela signifie qu’une fois le gazéifieur chargé en biomasse, il y a plus d’ajout ou

de retrait de biomasse en cour de fonctionnement. Le protocole de conduite ci-après à est établie

pour ce mode de fonctionnement. Nous considérons au début du test que le gazéifieur est

totalement vide et aucun souffleur n’est installé, et tous les sas sont ouverts. Les étapes de

conduite peuvent êtres subdivisé en trois groupes : le chargement et la mise en marche et le

déchargement

Le chargement :

1- Fermer les deux sas de déchargement du gazéifieur et retirer les bouchons placés sur

les orifices d’amorçage

2- Verser par le sas de chargement une quantité de charbon de coques préalablement

pesé à la balance (environ 4 kg)

3- Bien étaler le lit charbon et vérifier que le niveau de charbon est à environ 5 cm du

fond de la chambre de gazéification.

4- Verser au-dessus du lit de charbon des morceaux de papiers ou des feuilles d’arbre

mortes jusqu’à ce atteindre le niveau des orifices d’amorçage du gazéifieur. Ce lit

servira d’amorce afin d’accélérer le démarrage du gazéifieur. Environ 1 kg de papiers

ou de feuilles mortes suffisent.

5- Charge le gazéifieur avec une quantité préalablement pesée de coques d’anacardes et

veiller à ne pas dépasser le niveau du sas de chargement

6- Refermer le sas de chargement

La mise en marche :

1- Placer les deux souffleurs au niveau des orifices de soufflage du gazéifieur

2- Connecter les souffleurs au réseau en veillant à ce que les câbles électrique ne soit pas

proche d’un bouche d’amorçage ou en contact avec la paroi du gazéifieur.

3- Ouvrir la vanne du circuit de gaz

4- Démarrer le souffleur N°1 (gazéifieur)



5- A l’aide de morceau de bois, de cartons ou d’un chalumeau enflammer la zone de

combustion à travers chaque une bouche d’amorçage. Un jet de flamme sortant de la

bouche d’amorçage est le signe que l’amorçage est réussi.

6- Refermer chaque bouche d’amorçage à l’aide son bouchon. On remarque alors que la

sortie d’un épaisse fumée sortant du brûleur.

7- Activer le souffleur N°2 (Air brûleur)

8- Approcher une flamme du brûleur sans s’exposé aux fumées et attendre que le gaz

produit s’enflamme.

9- Régler les débits d’air des souffleurs sur la position voulue pour le test.

Le déchargement :

1- Attendre l’extinction de la flamme du bruleur, signe de la fin de la gazéification

2- Fermer la vanne du circuit de gaz

3- Eteindre les souffleurs et les retirer du gazéifieur

4- Attendre au moins le refroidissement total du gazéifieur, signe qu’il y a plus de feu à

l’intérieur du réacteur.

5- Ouvrir le sas supérieur et pousser les charbons à l’aide d’un bâton

6- Ouvrir les sas de déchargement et vider le charbon.

7- Répéter les étapes 5 et 6 jusqu’au déchargement total du gazéifieur.

8- Peser la masse totale de charbon retiré du gazéifieur.



ANNEXE 3 : Méthode Opératoire de test ébullition d’eau (Water boiling test)

Le test d’ébullition d’eau se réalise selon le protocole suivant :

1- Peser la marmite à vide à l’aide d’une balance

2- Remplir la marmite à un niveau d’eau acceptable pour le test

3- Peser la marmite remplie d’eau

4- Placer la marmite sur la plateforme WBT et fermer la marmite à l’aide sont couvercle

5- Allumer le brûleur du gazéifieur.

6- Mesurer la température initiale de l’eau à l’aide d’un thermocouple

7- Lancer le chronomètre de compte à rebours pour une durée de 2 minutes

8- Au bout de 2 minutes mesurer la température de l’eau

9- Répéter les étapes 7 et 8 jusqu’à constat d’ébullition de l’eau.

10- Une fois l’eau en phase d’ébullition, retirer le couvercle et on laisse l’eau mijoter durant

30 minutes

11- Au bout des 30 minutes mijotage descendre la marmite et remettre le couvercle

12- Attendre le refroidissement de la marmite et ensuite procéder à une pesée de la marmite

avec l’eau restante puis de la marmite vide



ANNEXE 4 : Test du prototype N°2 du gazéifieur

Le prototype N°2 du gazéifieur à coque d’anacarde a été construit afin de tester et valider toutes

les améliorations techniques proposées lors de l’étude du prototype initial de gazéifieur. Nous

avons pu effectuer deux tests avec différentes configurations. Lors du premier test, trois

souffleurs ont été utilisés tandis qu’au deuxième test, seulement deux souffleurs ont été utilisés

dans la même configuration que dans le gazéifieur initial. L’entrée d’air supplémentaire a été

bouchée. Lors des deux tests, les observations suivantes ont été faites :

Nous avons observé la présence de fumées se mélangeant aux flammes à la sortie du

brûleur (cf. Figure 44)

Nous avons observé des fuites importantes de gaz au niveau des sas inférieurs et

supérieurs du gazéifieur et aux jonctions des conduites de gaz. (cf. Figures 44 et 45)

Au niveau des sas inférieurs, nous avons constaté une condensation de goudrons plus

importante que celle observée sur le premier prototype du gazéifieur.

En outre, l’intensité de la flamme du deuxième prototype est plus faible que celle du

premier prototype (cf. Figure 44).

Les interprétations que nous pouvons faire de ces observations sont les suivantes :

La présence de fumées dans les flammes du brûleur est le signe d’une mauvaise

combustion du gaz du fait d’un apport en air insuffisant ou d’un mauvais mélange entre le

gaz et l’air.

Les fuites importantes de gaz observées au niveau des sas et aux jonctions des conduites

de gaz sont probablement dues respectivement à une augmentation de pression dans le

réacteur et aux pertes de charges imputables au Té dans les conduites. Cette

augmentation de pression dans le réacteur pourrait provenir du prolongement de la paroi

interne du réacteur.

L’effet combiné des fuites et des pertes de charge dans les conduites sont l’origine

probable de la faible intensité de la flamme du gazéifieur.

Afin de valider nos hypothèses, nous procéderons au renforcement des soudures, et la

modification des conduites en remplaçant les Té par des coudes afin de réduire les pertes de

charges. Par ailleurs la portion de conduite située entre le séparateur de particules et le brûleur



sera divisée en en deux pièces assemblées à l’aide d’une bride afin de faciliter le nettoyage de la

conduite (cf. Figure 46)

Figure 45 : Vue du brûleur à gaz lors du test

Figure 44 : Vue des fuites de gaz lors du test

Figure 46 : Schémas de la conduite de gaz modifiée

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