Contribution à la modélisation d'un gazeifieur de biomasse PDF Download
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Ce travail porte sur la modélisation de gazéification de la biomasse dans un réacteur solaire à lit fixe. Nous avons développé et validé différents modules pour la résolution des problèmes physiques associés à de tels gazéifieurs (volumes finis, équilibre thermodynamique, facteur de forme, radiosité, évolution du maillage, etc.). Le réacteur est ensuite modélisé et confronté à des mesures expérimentales pour sa validation. Ces résultats nous laissent supposer que, pour les conditions opératoires rencontrées dans ce réacteur, l'évolution de la vitesse de chauffage et du taux de centre sont des facteurs d'influence importants de la cinétique pour le bois de hêtre. Une étude du réacteur en supposant que la réaction atteint l'équilibre thermodynamique est ensuite conduite et montre que cette approche doit être employée avec précaution pour le domaine de température étudié. Une étude paramétrique concernant la mise en place d'un échangeur air-air entre le gaz de sortie et le gaz d'entrée est proposée. Elle nous montre que l'ajout d'un gaz inerte peut être intéressant d'un point de vue énergétique dans de telles conditions. Enfin, un absorbeur solaire adapté au gazéifieur est ensuite modélisé et validé afin de pouvoir évaluer la sensibilité du système complet.
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Ce travail porte sur la modélisation de gazéification de la biomasse dans un réacteur solaire à lit fixe. Nous avons développé et validé différents modules pour la résolution des problèmes physiques associés à de tels gazéifieurs (volumes finis, équilibre thermodynamique, facteur de forme, radiosité, évolution du maillage, etc.). Le réacteur est ensuite modélisé et confronté à des mesures expérimentales pour sa validation. Ces résultats nous laissent supposer que, pour les conditions opératoires rencontrées dans ce réacteur, l'évolution de la vitesse de chauffage et du taux de centre sont des facteurs d'influence importants de la cinétique pour le bois de hêtre. Une étude du réacteur en supposant que la réaction atteint l'équilibre thermodynamique est ensuite conduite et montre que cette approche doit être employée avec précaution pour le domaine de température étudié. Une étude paramétrique concernant la mise en place d'un échangeur air-air entre le gaz de sortie et le gaz d'entrée est proposée. Elle nous montre que l'ajout d'un gaz inerte peut être intéressant d'un point de vue énergétique dans de telles conditions. Enfin, un absorbeur solaire adapté au gazéifieur est ensuite modélisé et validé afin de pouvoir évaluer la sensibilité du système complet.
Author: Pierre Lamarche Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 234
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Véritable alternative à la combustion, la valorisation énergétique de la biomasse par gazéification puis cogénération, répond à la double problématique de la production d’énergie et de l’élimination des résidus de bois. Le travail présenté dans cette thèse concerne le développement d’un outil dédié au dimensionnement des réacteurs de pyrolyse à lit fixe continu à chauffage externe, pour les procédés de gazéification étagée de petite et moyenne puissance (
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Ce travail porte sur l’étude d’un procédé innovant de pyro-gazéification de bio-huile utilisant un plasma thermique, afin de produire un gaz riche en CO/H2. Plus précisément, cette thèse vise à comprendre et modéliser les mécanismes jouant un rôle clé lors de la transformation thermochimique de bio-huile dans un écoulement plasma. Tout d’abord, une étude bibliographique portant sur la phénoménologie et la modélisation des interactions plasma – liquide a été réalisée. Elle a conduit à la définition d’une double approche, expérimentale et numérique. Les études expérimentales ont permis d’identifier trois paramètres influents lors de la conversion de molécules organiques en milieu plasma : le rapport entre l’enthalpie spécifique du jet de plasma et l’enthalpie réactionnelle, la nature du gaz plasmagène et le mode d’injection des réactifs. Enfin, les résultats numériques, obtenus avec le code de mécanique des fluides Fluent, viennent confirmer et extrapoler les tendances expérimentales.
Author: Georgio Bassil Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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La gazéification de la biomasse par voie thermochimique constitue une ressource en énergie renouvelable ayant un grand potentiel de développement. Parmi les différentes techniques possibles, la voie cogénération Chaleur/bio-SNG (Substitute Natural Gaz) est proche de la maturité technologique. Un des verrous technologique de cette technologie est l'élimination des goudrons contenu dans le gaz issu du gazéifieur. Le présent travail de recherche constitue une contribution à la levée de ce verrou. La technique d'élimination des goudrons par lavage au moyen d'un solvant non miscible à l'eau ayant été sélectionnée pour un pilote de démonstration, le présent travail de recherche s'est principalement focalisé sur l'acquisition de données d'équilibre bi et triphasique des composés modèles des goudrons - eau - solvant de lavage. De telles données sont en effet indispensable pour la mise au point du modèle thermodynamique permettant la modélisation et l'optimisation du lavage. Les analyses des phases liquides en équilibre on été réalisées par CPG-FID ou CPG-SM. Dans certains cas les niveaux de concentration étaient particulièrement faibles. Les concentrations réciproque obtenues et les coefficients de partage qui s'en déduisent vérifie respectivement la corrélation empirique de Hands et la relation de Van't Hoff. L'équilibre liquide-liquide-vapeur des binaires eau - solvant de lavage ont été étudiés par la méthode statique. Les concentrations des phases en équilibres ont été corrélées par les modèles NRTL et UNIQUAC au moyen du logiciel commercial 'Simulis Thermodynamic'. Les paramètres d'interaction ainsi ajustés permettent une bonne restitution des données expérimentales.
Author: Alice Fourcault Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 203
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La gazéification de biomasse et/ou des déchets produit un biogaz combustible composé de CO, H2, CH4, mais qui est aussi ensemencé d’impuretés telles que les goudrons. La société Europlasma propose un procédé de craquage des goudrons par plasma : le TurboPlasma®. Le biogaz combustible issu d’un gazéifieur est surchauffé par une torche à plasma dans un réacteur haute température. La torche à plasma produit un gaz plasmagène à 4000 K. Cela permet de porter localement le gaz combustible au-dessus de 1400 K, conduisant à une dégradation efficace des goudrons, même des plus lourds. Ce procédé est modélisé par deux études numériques. La première repose sur un modèle de réacteur parfaitement agité, la seconde utilise le code de calcul Fluent V6. Cette dernière étude permet de comprendre l’aérodynamique interne du réacteur et de préciser son design pour atteindre les objectifs d’abattement des polluants goudronnés. Le gaz obtenu répond aux critères d'utilisation des moteurs à combustion interne.
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Le sujet de la thèse présentée se situe dans le cadre général de recherches portant sur l'évaluation des possibilités éventuelles d'utilisations de l'énergie solaire dans des procédés chimiques faisant appel à des températures situées entre 800 et 1200°C. L'opération chimique étudiée est la gazéification (CO2 ou vapeur d'eau) pyrolyse de charbon ou de bois. L'inventaire des technologies transposables à l'héliothermie et la comparaison de leurs avantages et inconvénients respectifs sont présentés et analysés : réacteur type cyclone pour la pyrolyse flash, four rotatif à lit brassé et gazogène à lit mobile consommable. (...)
Author: Benjamin Cluet Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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L'augmentation croissante de la demande énergétique mondiale entraine une production importante de dioxyde de carbone fossile. Pour limiter ces émissions, les énergies alternatives renouvelables sont prometteuses, et notamment, l'utilisation de la biomasse. C'est dans ce contexte qu'a été mis en place le projet ANR GAMECO par un consortium rassemblant des laboratoires universitaires et des unités de R&D industrielles. Ce projet vise à consolider l'utilisation d'un lit fluidisé bouillonnant de gazéification sous air pour convertir de la biomasse lignocellulosique en gaz de synthèse. Ce travail de doctorat a pour ambition de répondre à l'une des problématiques de ce projet : la répartition des particules de biomasses et de semi-coke ou charbon au sein du lit fluidisé et sa prise en compte dans la modélisation du gazéifieur. L'étude a porté sur des mélanges contenant de l'olivine et des particules de bois de caractéristiques différentes. Les résultats de mélange-ségrégation présentés ont été obtenus grâce à des mesures en maquette froide développée dans le cadre de cette thèse. Les données expérimentales obtenues ont permis de valider et consolider un modèle de mélange-ségrégation de la littérature. La dernière étape de la thèse consiste en la mise en place d'un modèle global du réacteur à lit fluidisé de gazéification de la biomasse pour prédire la productivité et la qualité du gaz produit. Ce modèle intègre les résultats hydrodynamiques précédents auxquels sont couplés des réactions chimiques de conversion de la biomasse (pyrolyse, oxy-gazéification du charbon, craquage des goudrons) provenant de la littérature. Les résultats de ce modèle sont comparés aux résultats obtenus sur une maquette chaude.
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Ce travail s'inscrit dans le projet LORVER, soutenu par la Région Grand Est et le FEDER. Il est destiné à créer une filière de production de biomasse végétale non alimentaire par valorisation de sites dégradés et de sous-produits industriels, en Lorraine. Un des procédés de valorisation de la biomasse produite est un procédé thermochimique de pyro-gazéification qui générerait de la chaleur et de l'électricité. Ce procédé, développé par SEA Marconi, se compose de trois réacteurs différents : un tambour tournant, pour la pyrolyse de particules de bois, la chaleur étant amenée par des billes d'acier chauffées ; un réacteur à vis sans fin pour l'oxydation du char qui permet de réchauffer les billes d'acier ; un réacteur de craquage des goudrons. L'objectif de cette thèse est de réaliser des modèles qui puissent permettre d'avoir une prédiction adaptée du comportement du système. Des modèles 3D du type DEM et CFD-DEM ont été conçus pour la modélisation des phénomènes qui interviennent dans le système. Les paramètres du modèle DEM ont été calibrés dans un tambour tournant de laboratoire. Pour le réacteur de pyrolyse, la simulation DEM a permis de prédire de façon satisfaisante la ségrégation pour des mélanges de billes d'acier et de particules non sphériques de bois, et de concevoir un modèle thermique et chimique 1D, sur lequel une étude de sensibilité a été effectuée. Un modèle CFD-DEM a été codé et validé sur un rhéomètre granulaire, permettant la simulation du réacteur d'oxydation partielle du char, qui n'a pas pu être réalisé dans le cadre de cette thèse.
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Le travail réalisé en collaboration entre l'entreprise CNIM et le laboratoire IUSTI a permis la miseen place d'un outil de simulation numérique afin d'étudier à l'échelle locale différents phénomènescouplés qui se produisent dans un réacteur de gazéification en lit fluidisé dense. L'approche choisie,DEM (Discrete Element Method), est basée sur le suivi de paquets de particules. Les résultats desimulation ont été comparés à des mesures expérimentales réalisées dans les laboratoires IUSTIet LERMAB : mesure de pression dans un lit fluidisé peu profond et caractérisation de la réactionde pyrolyse par suivis temporels de la masse volumique par une méthode innovante et de latempérature de la particule de biomasse ainsi que la composition des gaz produits. À plus grandeéchelle, les prédictions numériques du code ont été comparées à des mesures expérimentales deprofil de vitesse des particules et de mélange et ségrégation issues de la littérature. Les résultatsnumériques du lit fluidisé bisolide sans et avec réactions chimiques, obtenus sont en bon accordavec les mesures expérimentales. Ils ont permis de mettre en évidence le fort couplage entre lesphénomènes hydrodynamiques et thermochimiques.Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives tant sur le plan de l'expérimentation que de la simulation numérique où l'approche DEM retenue a montré un fort potentiel. L'extrapolation dumodèle DEM pour la simulation de la gazéification à des réacteurs industriels reste encore un défiau regard des ressources informatiques.
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Ce travail a pour objet l’étude d’un procédé allothermique de gazéification de biomasse lignocellulosique permettant d’obtenir un gaz de synthèse (mélange de CO et H2) destiné à la production de carburants liquides. Les procédés actuels présentent des inconvénients tels que : la nécessité d’une préparation de la biomasse (séchage et broyage), la présence de co-produits et de polluants (CO2, CH4 et goudrons) et l’extraction des cendres pose problème. Le procédé proposé présente un moyen original de chauffage pour éliminer ou au moins minimiser certains de ces inconvénients. Il est fondé sur l’usage d’un arc électrique transféré entre deux électrodes de graphite au dessus d’un bain de verre. La biomasse est introduite par gravité à travers la voûte et tombe sur la surface du bain en traversant la zone d’arc. L’énergie nécessaire aux réactions de gazéification endothermiques est apportée par l’arc électrique et non par la consommation d’une partie de la biomasse. Ainsi les hautes températures (> 1200°C) favorisent la gazéification et préviennent la formation de coproduits indésirables en favorisant le cracking des goudrons. Le bain minéral a plusieurs fonctions. D’une part il permet d’y « stocker » l’énergie de l’arc électrique pour la transférer à la biomasse, améliorant ainsi le rendement énergétique. D’autre part il permet d’accroître le temps de séjour de la particule dans l’atmosphère chaude et donc d’éviter la nécessité d’un broyage préalable de la biomasse. En outre ce bain minéral permet d’incorporer la fraction minérale de la biomasse. Par ailleurs l’humidité habituellement présente dans le bois (~ 20 % en masse) fournit directement dans l’atmosphère du four l’eau nécessaire à la réaction de gazéification C6H9O4 + 2 H2O → 6 CO + 6,5 H2 ; ainsi l’étage de séchage préliminaire n’est plus nécessaire. Les résultats d’essais avec du bois de hêtre conduits à des températures comprises entre 1200 et 1600°C et des débits de l’ordre du kg/h sont présentés : les teneurs en CO2 et CH4 dans le gaz de synthèse sont respectivement de ~ 1 % et 0,01 %, la teneur en goudrons avoisine 10 mg.Nm-3, le rendement de conversion de la biomasse en CO varie entre 52 et 68 %, en H2 entre 60 et 68 %, la température optimale est d’environ 1300°C : le taux de conversion du carbone par rapport à la biomasse anhydre atteint 98 %. Un modèle simplifié du processus de gazéification complète ces travaux : les temps de séjours calculés correspondent aux temps obtenus expérimentalement et permettent d’envisager un premier dimensionnement d’un réacteur industriel. Une approche technicoéconomique a été effectuée à partir de ces résultats : la compétitivité du procédé proposé dépend fortement du rendement énergétique du gazéifieur ; mais le surcoût engendré par le manque d’optimisation est compensé par la diminution des coûts de préparation de la biomasse et de nettoyage des gaz.
Author: Valerian Freysz
Author: Valerian Freysz
Author: Pierre Lamarche
Author: Hélène Lorcet
Author: Georgio Bassil
Author: Alice Fourcault
Author: Marie-Claire Quelard
Author: Benjamin Cluet
Author: Riccardo Maione
Author: Claudia Cadile
Author: Irina Carlesi