Soutenance mémoire
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.
Procédés de valorisation de la 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 sont constituées principalement de composés ligno cellulosiques et qui ont un taux d’humidité inférieur à 20%. C’est la catégorie la plus adaptée à une valorisation thermochimique .
La voie thermochimique ou voie sèche de la biomasse
Elle comprend trois types de procédés et permet de valoriser les combustibles les plus secs pour produire essentiellement de la chaleur et de l’électricité par cogénération, ou des biocarburants.
La combustion
La combustion est le plus ancien des procédés. Dans le cadre de la filière bois énergie, la combustion consiste à brûler la biomasse conditionnée (plaquettes, granulés, bûches…) dans une chaudière spécifique. La chaleur produite peut être valorisée en chauffage domestique et collectif.
La pyrolyse
La pyrolyse est un procédé de valorisation thermique de la biomasse en absence d’oxygène. La biomasse est placée dans un réacteur hermétique, chauffé à une température comprise entre 450 et 750°C. La chaleur et l’absence d’air entraînent une décomposition des matières organiques en deux parties : un composant solide et des gaz. Le résidu solide, appelé charbon, est composé majoritairement de carbone fixe, tandis que la phase gazeuse regroupe une majorité de gaz condensables (goudrons) et de gaz permanents. Il existe trois types de pyrolyse : la pyrolyse flash, la pyrolyse rapide et la pyrolyse lente. En fonction du procédé employé et des conditions opératoires, notamment du gradient de température en fonction du temps, les fractions des trois sous-produits varient considérablement.
La gazéification
La gazéification désigne un processus de transformation thermochimique de la biomasse qui se déroule en deux étapes : la phase de pyrolyse puis la phase de gazéification proprement dite.
Théorie de la gazéification
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.
Définition de la gazéification
La gazéification est l’une des filières de conversion thermochimique permettant de décomposer les combustibles solides de nature ligno-cellulosique et de faible teneur en eau, en un gaz combustible : gaz pauvre, au moyen de la chaleur à haute température (fournie par une combustion complète) par combustion partielle ou lente c’est-à-dire à défaut d’un medium oxydant qui est essentiellement l’air naturel. Effectivement, l’air s’appauvrit en oxygène et n’effectue par la suite qu’une combustion incomplète. Du point de vue énergie, la gazéification est l’une des filières de conversion thermochimique permettant de convertir l’énergie calorifique potentielle des matières végétales sèches en un gaz combustible utilisé ensuite en énergie thermique ou en énergie mécanique dans des appareils spécifiques.
Principe général
L’opération de gazéification s’effectue dans une enceinte close appelée : gazogène, avec une admission contrôlée d’air, où les combustibles hydrocarbonés végétaux sont introduits puis brulés.
Mécanismes mis en jeu
La gazéification de biomasse peut s’effectuer dans divers types de procédés. Quel que soit le type de procédé, des 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 : CONTEXTE GENERAL
Chapitre 1 : La biomasse
I.1 Définition
I.2 Procédés de valorisation de la biomasse
I.3 La voie thermochimique ou voie sèche de la biomasse
II.3.1 La combustion
II.3.2 La pyrolyse
II.3.3 La gazéification
Chapitre 2 : Théorie de la gazéification
II.1 Historique de la gazéification
II.2 Définition de la gazéification
II.3 Principe général
II.4 Mécanismes mis en jeu
II.4.1 Le séchage
II.4.2 La pyrolyse
II.4.3 La combustion des matières volatiles (à l’oxygène)
II.4.4 La gazéification du char (à la vapeur d’eau et au dioxyde de carbone)
II.5 Classification et différents types de gazogène
II.5.1 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
II.5.2 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
II.6 Les critères de sélection du gazogène
II.7 Les réactions chimiques dans un gazogène à bois
II.7.1 Le processus de la carbonisation du bois
d) Les réactions d’oxydation
e) Les réactions d’hydrogénation
f) Les réactions de réduction
II.8 L’efficacité de la gazéification
PARTIE II : METHODOLOGIE
Chapitre 1 : Présentation du gazogène expérimentale
I.1 Le combustible
I.1.1 Notion de qualité du charbon de bois
I.1.2 Caractéristiques physiques du charbon de bois
I.2 Principe de fonctionnement du gazogène expérimental
I.3 Description du générateur du gaz
I.4 Caractéristiques du générateur du gaz
I.5 Les processus qui se produisent dans le gazogène à charbon de bois
I.5.1 Zone de séchage
I.5.2 Zone de Pyrolyse
I.5.3 Zone de Réduction
I.5.4 Zone de combustion
I.6 Description du foyer à gaz
Chapitre 2 : La réalisation du gazogène expérimental
II.1 Dessin technique
II.2 La fabrication du Gazogène expérimental
II.2.1 Les matières premières utilisées
II.2.2 Les processus de fabrication du 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
II.4 Contraintes de la réalisation
II.4.1 La Roue de DEMING
II.4.2 Explications
Chapitre 3 : ETUDES EXPERIMENTALES DU GAZOGENE
III.1 LES PERTES THERMIQUES
III.1.1 Échange par rayonnement
III.1.2 Échange par conduction
III.1.3 Échange de chaleur par convection
III.2 Mesure des performances du gazogène
III.2.1 L’importance des essais
III.2.2 Comment tester le fourneau?
III.2.3 Test d’Ebullition d’Eau : WBT
a) Méthodologie
b) Procédures
c) Détermination du rendement thermique
d) Calcul de la consommation standard spécifique
e) Calcul de la puissance du feu
III.2.4 Test de cuisine contrôlée TCC
a) Méthodologie
b) Équipements
c) Procédures
III.2.5 Résultats
a) Test WBT
b) Test de cuisine contrôlé
III.2.6 Constatations
CONCLUSION
