Soutenance mémoire
Historique de la gazéification
Les premiers gazogènes ont vu le jour au XIXème siècle, avec la production de « gaz de ville » utilisé pour l’éclairage urbain à partir de charbon minéral. Il faut attendre 1921 pour voir apparaître le premier gazogène au bois développé par le français Georges Imbert.
En1923, il réussit à adapter un gazogène à bois sur un véhicule. Plus tard, lors de la pénurie du pétrole frappant l’Europe durant la seconde guerre mondiale, les voitures et camions à gazogène seront développées à plusieurs centaines de milliers d’exemplaires principalement en France et en Allemagne. Il s’agit alors des gazogènes de petite taille mais avec de très mauvais rendements. L’engouement pour les voitures à gazogène s’estompe ensuite avec le retour du pétrole abondant et bon marché. En Europe, il faudra attendre la prise de conscience des problèmes de changement climatique pour voir réapparaître l’intérêt pour la filière gazéification.
Les pays européens n’ont pas été les seuls à développer la gazéification de biomasse. Pendant la seconde guerre mondiale, plus de 100000 voitures à gazogènes circulaient en Asie. La fin de la pénurie du pétrole et les problèmes liés aux goudrons ont amené les pays asiatiques à délaisser la gazéification. Seule la Chine a continué l’exploitation des gazogènes pour la production d’électricité et de chaleur, principalement en utilisant comme combustible les déchets de culture du riz (balle de riz). En 1990, on comptait 150 gazogènes à balle de riz à travers la Chine. La filière a connu un regain d’intérêt avec les crises pétrolières, en particulier en Inde, où de petites unités de gazéification sont aujourd’hui commercialisées.
Conversion énergétique de la biomasse
La biomasse est constituée par l’ensemble des végétaux, des animaux et des déchets qui leur sont associés. Du point de vue énergétique, le terme biomasse désigne l’ensemble des matières organiques pouvant être utilisées comme sources d’énergies. L’existence d’une forte variabilité de la composition de la biomasse favorise le développement de différentes technologies pour sa valorisation énergétique. Ces différentes technologies développées sont basées principalement sur la composition chimique qui ellemême confère des caractéristiques énergétiques spécifiques à cette biomasse. Partant de la composition chimique de la biomasse, on distingue deux grandes catégories de biomasses énergétiques :
❖ Les biomasses humides peu lignifiées, qui ont généralement un contenu énergétique faible, donc ne peuvent pas être directement utilisées comme combustible. Elles peuvent être utilisées grâce aux procédés biochimiques qui permettent de les transformer en biogaz capable d’être valorisé énergétiquement.
❖ Les biomasses sèches qui sont constituées principalement de composés lignocellulosiques et qui ont un taux d’humidité inférieur à 20%. C’est la catégorie la plus adaptée à une valorisation thermochimique.
Description et principe de fonctionnement
Un gazogène est un appareil qui à pour but de transformer des matières solides combustible en gaz combustible permettant d’alimenter des moteur spéciaux,dit à gaz pauvre, ou bien des chaudières. Le gazogène est souvent disposé de 2 organes principaux à savoir :
– Une trémie qui consiste à stocker les combustibles solides avant de brûler
– Un foyer muni d’une alimentation d’air pour assurer la combustion.
Leur principe est de provoquer une combustion incomplète du bois ou du charbon de bois, en contrôlant l’alimentation en l’air du foyer, de manière à produire des gaz combustibles tel que monoxyde de carbone (CO), dihydrogène (H2), et méthane (CH4). Dans certains cas, on injecte de faibles quantités d’eau dans l’air de combustion pour produire de grandes quantités d’hydrogène pour obtenir du gaz mixte.
Mécanismes mis en jeu
La gazéification de biomasse peut s’effectuer dans divers types de procédés. Quel que soit le type de procédé, de nombreux mécanismes sont mis en jeu à savoir : le séchage, la pyrolyse, la combustion des matières volatiles, la gazéification du charbon de bois (à la vapeur d’eau et au dioxyde de carbone), ainsi que la combustion (à l’oxygène) d’une faible partie du charbon de bois.
Le séchage
Avant toute transformation thermique, la biomasse subit une phase de séchage durant laquelle l’humidité naturellement présente dans la biomasse (ou due à son stockage) est évacuée par évaporation. Cette phase endothermique se produit à une température inférieure à 200°C.
La pyrolyse
Cette phase est encore appelée carbonisation ou dévolatilisation. Sous l’effet du chauffage entre 300 et 700°C, les matières volatiles se forment à l’intérieur de la particule à partir de l’hydrogène, de l’oxygène et du carbone présent, puis elles sont évacuées. On aboutit ainsi à une matrice fortement carbonée et très poreuse : le char (ou charbon de bois). Les matières volatiles regroupent des espèces gazeuses condensables (les goudrons) et incondensables. Le processus de formation des matières volatiles est très complexe. Si on exclut l’énergie nécessaire au chauffage, cette phase peut être considérée comme globalement athermique.
La combustion des matières volatiles (à l’oxygène)
Les matières volatiles produites lors de la phase de pyrolyse sont oxydées grâce à un apport d’air. Leur combustion permet d’atteindre des hautes températures dans le réacteur.
La gazéification du char (à la vapeur d’eau et au dioxyde de carbone)
Cette phase est couramment appelée réduction du char par abus de langage. Elle se produit à haute température (800-1200°C) sous l’effet des gaz oxydants, qui sont en général la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone contenus dans les fumées de combustion des matières volatiles. Cette réaction endothermique nécessite un apport supplémentaire de chaleur pour maintenir une température suffisante. Celui-ci est en général fourni par un excès d’air permettant la combustion d’une partie du carbone du char. La gazéification du char produit un gaz combustible essentiellement formé d’hydrogène et de monoxyde de carbone, dans des proportions variables.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE I : GENERALITE
CHAPITRE 1 : GAZOGENE
I- Historique de la gazéification
II -Conversion énergétique de la biomasse
III- Description et principe de fonctionnement
III-1 Mécanismes mis en jeu
a- Le séchage
b-La pyrolyse
c- La combustion des matières volatiles (à l’oxygène)
d- La gazéification du char (à la vapeur d’eau et au dioxyde de carbone)
IV- classification et différents types de gazogène
IV-1- les procédés à lit fixe
a- Gazogène à tirage direct ou à tirage contre-courant
b- Gazogène à tirage inversé descendant ou à tirage co-courant
c- Gazogène à tirage transversal
IV-2- les procédés à lit fluidisé
a- Les procédés à lit fluidisé dense
b- Les procédés à lit fluidisé circulant
c- Les procédés à lit fluidisé entraîné
V- les critères de sélection du gazogène
CHAPITRE 2 : THERMOCHIMIE DE LA GAZEIFICATION A LA VAPEUR D’EAU D’UNE PARTICULE DE CHARBON DE BOIS
I -Le charbon de bois
I-1 Le bois : un matériau hétérogène et anisotrope
a- Anatomie du bois
b- Composition du bois
c- Propriétés du bois
d- La pyrolyse
I-2 La gazéification de charbon de bois à la vapeur d’eau
I-3 La réaction de gazéification à la vapeur d’eau
II -L’efficacité de la gazéification
PARTIE II : ETUDE DE REALISATION ET DIMENSIONNEMENT DE LA MINI-GAZOGENE A CHARBON DE BOIS
CHAPITRE 1 : DESCRIPTION ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU MINI GAZOGENE
I -Caractéristiques et performances
II Les Processus qui se produisent dans le mini gazogène expérimental
II- 1 zone de séchage
II- 2 Zone de Pyrolyse
II- 3 Zone de Réduction
II -4 Zone de combustion
CHAPITRE 2 : LA REALISATION DU MINI GAZOGENE EXPERIMENTAL
I- dessin technique
II- la fabrication du mini Gazogène expérimental
II- 1 les matières premières utilisées
II -2 les processus de fabrication du mini Gazogène à tirage contre-courant
a- la fabrication du fond du réacteur
b- la fabrication du foyer
c- la fabrication de la trémie
d- la fabrication du couvercle
II-3 le montage du Gazogène à tirage contre-courant
CHAPITRE 3 : ETUDES EXPERIMENTALES DU MINI GAZOGENE
I- la Roue de DEMING
I-1) La roue de DEMING : le système du Plan- Do- Check- Act (PDCA)
I-2) Explications
II- Les outils nécessaires pour l’étude
II-1 Le charbon
a- Expérience
b- Interprétation
c- Expérience
II-2 Le capteur thermique
III -Sécurité du travail
IV- Les différentes phases de l’expérimentation
IV-1 Phase de préparation
IV-2 Phase de chauffage
IV-3 Phase d’alimentation du charbon
IV-4 Phase du débit d’entrée d’air
IV-5 Phase de suivi d’évolution du gaz
V- Un fait d’observation courante du résultat
VI- Caractéristique du gaz produit
VII- Transfert thermique
VIII- Automatisation du processus
VIII 1- Cahier de charge
PARTIE III : ETUDE DE L’IMPACT ENVIRONNEMENTAL
I- La biomasse et les gaz à effet de serre
II- situation et contraintes du secteur énergie à Madagascar
III- objectifs du secteur énergie à Madagascar
III la potentialité de biomasse à Madagascar
V- Evaluation des impacts sur l’environnement et le cadre de vie
V-1 Impacts positifs
V-2 Impacts négatifs
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
