Soutenance mémoire
La biomasse est considérée comme l’une des plus importantes sources d’énergies renouvelables dans le monde. Elle représentait à elle seule environ 12 % des ressources de la consommation énergétique mondiale en 2012 (IEA, 2014). On désigne par biomasse l’ensemble des matières organiques accessibles sur une base renouvelable et durable. La valorisation énergétique de la biomasse peut se faire sous diverses formes. Elle peut être utilisée pour produire de la chaleur, de l’électricité ou encore des biocarburants gazeux et liquides comme vecteur énergétique au sens large (méthane de synthèse, méthanol, DME…). En Europe, elle constitue l’une des voies importantes choisie par l’Union Européenne, et notamment la France, pour limiter la dépendance aux énergies fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon) et lutter contre le réchauffement climatique (réduction des émissions de CO2) (ADEME, 2013). En France, près de 60 % de l’énergie renouvelable produite (environ 9,6 MTep) provient de la biomasse (principalement sous forme de chaleur) et atteindra selon les prévisions, 17,1 MTep en 2020.
Les ressources biomasses mobilisables peuvent se regrouper en plusieurs catégories, selon leur origine et leur composition élémentaire, en particulier leur taux et nature des cendres qu’elles contiennent, qui peuvent avoir une influence sur le procédé de conversion utilisé. Ainsi, il est possible de définir six catégories distinctes de ressources :
– Le bois d’une manière générale (chêne, pin, épicéa…) ;
– Les sous-produits du bois : ils recouvrent l’ensemble des déchets produits par l’exploitation forestière (rémanents, écorces, sciure…) et par l’industrie de transformation du bois (scierie, menuiseries, ébénisteries…) ;
– Les sous-produits agricoles : ils regroupent l’ensemble des déchets produits par l’agriculture (paille, bagasse…) ;
– Les cultures énergétiques dédiées telles que les taillis à courte rotation (dits TCR: saules, triticale, miscanthus…) ou à très courte rotation (dits TTCR : peuplier…) ;
– Les résidus de l’industrie agroalimentaire (marc de raisin et de café, pulpes et pépins…) et certains résidus industriels tels que les boues issues de l’industrie du papier (liqueur noire) ;
– Les résidus organiques : ils recouvrent aussi bien les déchets urbains (boues d’épuration, ordures ménagères, CSR…) que les effluents animaliers ou agricoles.
Ressources biomasse
Cendres à bas point de fusion
Au cours de leur gazéification, certaines ressources ont la particularité de former des cendres à bas point fusion, c’est-à-dire capables de fondre et de former une phase liquide dans la gamme de température opératoire visée (700-1000°C). Ces cendres sont caractérisées par une composition chimique riche en alcalins (potassium majoritairement et plus rarement sodium) (Van der Drift, 1999). Parmi ces ressources, il est possible de citer les déchets agricoles (paille de blé, d’orge…), certaines cultures énergétiques (miscanthus, triticale, fétuque…) ou encore certains déchets urbains (Combustibles Solide de Récupération…) ou forestiers (rémanents…).
La fusibilité des cendres varie considérablement d’une ressource à une autre. Elle dépend de la composition chimique des cendres, de la nature de ses composés inorganiques et de l’atmosphère dans laquelle elles sont formées (oxydante, réductrice). La fusion des cendres se produit généralement sur un large intervalle de température, appelé intervalle de fusion, dans lequel la phase solide est en présence avec sa phase liquide . La première fraction de liquide se forme à la température de solidus, Tsolidus, tandis qu’à la température de liquidus, Tliquidus, les cendres sont entièrement liquides. Entre le solidus et le liquidus, la quantité de liquide évolue et augmente à mesure que la température croît. En pratique, le risque d’agglomération survient dès lors que la température de fonctionnement est supérieure à la température de solidus des cendres.
La température de solidus des cendres est conditionnée par la nature de ses composés inorganiques. En présence d’une quantité significative des éléments inorganiques Si, P et Cl, les cendres riches en alcalins ont tendance à former spontanément des composés à bas point de fusion (T<1000°C), avec par exemple KCl ou KPO3 (Sevonius, 2015, 2014; Van der Drift, 1999). Le mélange des composés inorganiques peut également conduire à l’apparition de compositions eutectiques, caractérisées par la formation d’une ou plusieurs phases liquides à une température bien en deçà de la température de fusion des composés pris individuellement, parfois dès 700°C. En fonction de la composition chimique des cendres, deux types de liquide peuvent se former aussi bien en atmosphère réductrice (gazéification) qu’oxydante (combustion) (Öhman, 2005; Van der Drift, 1999) :
– une phase liquide oxyde de type silicate de potassium ou silicate de potassium et de calcium* , majoritairement observée dans la littérature ;
– une phase liquide de type sels fondus, par exemple de chlorure de potassium liquide, plus rarement observée dans la littérature ;
– Il est par ailleurs possible d’obtenir des démixtions à l’état liquide, c’est-à-dire la présence de deux liquides simultanément.
Il est à noter que les « chemins » de formation des phases liquides pour une composition de cendres donnée, complexes par nature, restent à ce jour difficile à décrire. En présence de silice (pollution ou matériau de lit), il semblerait par ailleurs que certains carbonates (K2CO3) ou phosphates (K3PO4) de potassium aient tendance à réagir avec celle-ci pour donner naissance à un liquide oxyde de type silicate de potassium à basse température (< 800°C) (Sevonius, 2015, 2014). Ce n’est en revanche a priori pas le cas pour les chlorures de potassium (KCl) et d’autres types de phosphates (KH2PO4), qui forment seuls une phase liquide. La présence d’une teneur importante en soufre peut toutefois modifier la température de solidus des cendres. En combustion, le soufre forme préférentiellement des sulfates d’alcalins à haut point de fusion (ex : K2SO4) , solides à la température de fonctionnement du réacteur (Sevonius, 2014), tandis qu’en gazéification, cet élément peut être en grande partie volatilisé (ex : H2S…). En présence de phosphates de potassium (K(PO3)2), les sulfates d’alcalins peuvent cependant former un eutectique dès 720°C (Olofsson, 2002).
La température de solidus des cendres peut parfois être abaissée en présence d’une pollution importante de la ressource par de la silice lors de sa récolte, ou l’utilisation d’un lit de sable. Certaines ressources dont les cendres possèdent une température de solidus élevée (T>1000°C) car riches en alcalins et en alcalinoterreux, peuvent former une phase liquide de type silicate de potassium et de calcium à basse température (~800°C) (Grimm, 2011). Ce phénomène est observé aussi bien en atmosphère réductrice (gazéification) qu’oxydante (combustion) (Öhman, 2005; Visser, 2008). Contrairement à la température de solidus, la température de liquidus des cendres est rarement atteinte en lit fluidisé (>1000°C). Ceci s’explique par le large spectre en composition des cendres. Les cendres contiennent généralement une proportion, plus ou moins faible, de composés réfractaires à haut point de fusion (ex : Ca3(PO4)2, Ca2SiO4…) (Sevonius, 2015). La connaissance de la température de solidus des cendres et de l’évolution de la fraction de liquide en fonction de la température d’une ressource est donc primordiale pour évaluer sa prédisposition à l’agglomération dans les conditions de traitement considérées. La connaissance de la température de liquidus, bien que secondaire en lit fluidisé, permet de délimiter l’intervalle de fusion des cendres.
Caractérisation de la fusibilité des cendres
La fusibilité des cendres est difficile à mesurer en raison de la variabilité en composition des différentes ressources, de l’effet de l’atmosphère (oxydante, réductrice) et d’une éventuelle interaction physico-chimique avec d’autres matériaux en présence. Pour cette raison, de nombreuses méthodes expérimentales ainsi que des méthodes de calcul ont été développées pour « caractériser » l’intervalle de fusion des cendres (température de solidus, température de liquidus ainsi que l’évolution de la fraction de liquide) (Bartels, 2008). A l’heure actuelle, il n’existe toutefois pas de méthode de référence qui permettent d’obtenir des informations fiables et précises sur la fusibilité des cendres pour une ressource donnée. Diverses méthodes expérimentales ont été mises au point par le passé. Une revue exhaustive de ces moyens a récemment été proposée par (Bartels, 2008). Ces méthodes reposent sur l’analyse ex-situ des cendres produites en laboratoire par combustion de la biomasse. Elles font appel à une grande diversité de dispositifs expérimentaux (fours spéciaux, cellules de compression en température…). Certaines de ces méthodes font par ailleurs l’objet de « normes » ou de « protocoles » utilisés par certains laboratoires de mesure (ex : SOCOR). Cependant, elles ne permettent généralement pas d’apprécier une éventuelle interaction entre les cendres et le matériau de lit (pas de prise en compte de ce dernier).
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Table des matières
Introduction générale
Introduction
1. Ressources biomasse
1.1. Cendres à bas point de fusion
1.2. Caractérisation de la fusibilité des cendres
1.3. Propriétés des cendres liquides
2. Technologie de gazéification à lit fluidisé
2.1. Les réacteurs de gazéification
2.1.1. Gazéifieur à lit fluidisé bouillonnant
2.1.2. Gazéifieur à lit fluidisé circulant
2.1.3. Gazéifieur de type hybride
2.2. Hydrodynamique des lits fluidisés
2.2.1. Régime de fluidisation
2.2.2. Evolution de la perte de charge
2.2.3. Influence des caractéristiques du solide
2.2.4. Caractéristiques des lits fluidisés bouillonnants
3. Phénomènes d’agglomération et défluidisation
3.1. Phénomène d’agglomération
3.1.1. Description
3.1.2. Paramètres influents
3.1.2.1. Mouillage
3.1.2.2. Pont liquide inter-particulaire
3.1.2.3. Description de la croissance des ponts liquides par flux visqueux
3.2. Conséquences sur le procédé et défluidisation
3.3. Paramètres influents sur le procédé
3.3.1. Taux de formation du liquide dans le lit
3.3.2. Taux de présence du liquide dans le lit
3.3.3. Vitesse superficielle de fluidisation
3.3.4. Distribution granulométrique
3.3.5. Autres paramètres
4. Modélisation physique de l’agglomération et défluidisation
4.1. Formation d’agglomérats par collisions inter-particulaires
4.2. Durée de fonctionnement avant agglomération
4.3. Vitesse superficielle limite de fluidisation
4.4. Synthèse des modélisations
5. Méthode de gestion de l’agglomération
5.1. Conditions opératoires
5.2. Additifs chimiques et matériaux de lit
5.3. Ressource
5.4. Méthodes de détection
Conclusion générale
