Les Procédés de valorisation énergétique par Pyrolyse & Gazéification

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1 Les Procédés de valorisation énergétique par Pyrolyse & Gazéification par Gérard ANTONINI, Professeur des Universités (UTC) Congrès Européen ECO-TECHNOLOGIES pour le futur, Lille, Grand Palais, le 9 juin 2010

2 Les procédés de traitement thermique des déchets Pyrolyse-Gazéification-Combustion 0 endothermique Défaut d air (réducteur) exothermique Excès d air 1 (oxydant) Apport d air Pyrolyse pyrogazéification Gazéification stœchiométrie Combustion / Incinération Gaz pyrolyse CO, H 2, CH 4 (CO 2, N 2 ) + Coke (char) Gaz +/ - riche CO, H 2, CH 4 (CO 2, N 2 ) Combustion O 2 enrichi C + O 2 CO 2 + (N 2 ) Combustion avec excès d air 2

3 Préparation amont des déchets : Elaboration de CSR Les combustibles solides de récupération (CSR) sont des combustibles dérivés de déchets, à fort pouvoir calorifique et à granulométrie et composition physico-chimique constantes, leur conférant la capacité de se substituer à des combustibles conventionnels ou à des déchets bruts. Les CSR, issus de déchets municipaux, peuvent être élaborés par : - Production directe (pneus usagés, bois, DIB, boues séchées) Collecte sélective Tri amont d affinage - Production indirecte, à partir d opérations de pré-traitement Tri aval avec Traitement Mécano-biologique (TMB), dont les procédés par pressage/extrusion (production de CSR couplée à une production de biogaz et/ou du compost) Pyrolyse

4 Conversion thermochimique par pyrolyse Sous l appellation de pyrolyse sont regroupés des procédés de décomposition thermique d une matière carbonée, dont la biomasse et les déchets, pour former un semi-coke et un gaz combustible Atmosphère réductrice Réaction endothermique 350 C < T < 550 C ( H > 0) C, H, O, N, MM, H 2 O *MM : Matières Minérales H > 0 (C, MM*) + Coke m S CO, H 2, CH 4, C n H m, N 2, H 2 O Gaz incondensables : (CO, H 2, CH 4, CO 2, N 2 ) Condensables : (huile, aromatique, goudrons, H 2 O) m G 4

5 Orientation des réactions de pyrolyse (C, H, O, N, MM, H 2 O) (C, MM*) + CO, H 2, CH 4, C n H m, N 2, H 2 O *MM : Matière Minérale m S m G T élevée ( C) - Temps de séjour faible - Vitesse de chauffe élevée T basse ( C) - Temps de séjour élevé - Vitesse de chauffe lente m G m S m G m S 5

6 Produits de pyrolyse pour 1 tonne de biomasse (sur sec) 1 tonne MS T = 500 C T = 350 C Gaz de pyrolyse dont : huile (aromatiques, Hydrocarbures Lourds) Gaz H 2, CO, CO kg kg Coke de pyrolyse 160 kg 430 kg 6

7 Schéma type d un procédé de Pyrolyse basse T, long temps de séjour Fumées de combustion Déchets Pyrolyse Gaz pyrolyse Chambre de Combustion Basse T Coke Air CSR Fumées 7

8 Conclusions Pyrolyse Acceptabilité sociétale (alternative à l incinération) Valorisation énergétique possible : - Si coke peu (pas) pollué : valorisation thermique en tant que combustible secondaire (CSR), - Si coke pollué (cendres, halogènes, et métaux lourds) : Débouchés (incinération, cimenteries, chaufferies) incertains Nécessité d épurer les cokes Développement de la pyro-gazéification (craquage du gaz ou gazéification du Coke), pour efficacité énergétique optimale 8

9 Conversion thermochimique par gazéification Sous l appellation de gazéification sont regroupés des procédés qui permettent de transformer à haute température une matière carbonée, dont la biomasse et les déchets, en un gaz combustible Atmosphère réductrice Réaction endothermique ( H > 0) 650 C < T < 850 C (Déchet brut, CSR) + H 2 O et O 2 (+ N 2 ) CO, H 2, CH 4, H 2 O (+ N 2 ) (+ CO 2 ) (Gaz combustible + inertes)

10 Les réactions thermochimiques mises en jeu en gazéification C + H 2 O CO + H 2 H o = +131 kj mol 1 (réaction de vapo gazéification) C + CO 2 2CO H o = +173 kj mol 1 (réaction de Boudouard) C + 2 H 2 CH 4 H o = - 74,8 kj mol 1 (réaction formation du méthane) CO + H 2 O CO 2 + H 2 H o = - 41 kj mol 1 (réaction de conversion shift) C + O,5 O 2 CO H o = kj mol 1 (réaction du gaz à l air)

11 Valorisation énergétique des gaz de synthèse En sortie du gazéifieur, le gaz de synthèse produit peut être oxydé par combustion à faible excès d air. Cette oxydation peut être réalisée : Dans un procédé de traitement thermique (séchage, cuisson, four verrier, ), en substitution du gaz naturel Par postcombustion du gaz dans une chaudière de récupération en aval (pyro-gazéification intégrée), pour la production de vapeur alimentant un GTA fonctionnant en cogénération, Par combustion interne, après refroidissement et épuration, en moteur thermique, ou en turbine à gaz, pour une production optimisée d électricité.

12 Principe de la pyro-gazéification intégrée pour une cogénération chaleur/électricité 12

13 Valorisation énergétique en pyro-gazéification intégrée Les gaz combustibles produits par la chambre de pyro-gazéification intégrée sont : dirigés vers une chambre de combustion secondaire, leur valorisation énergétique étant effectuée par utilisation de chaudière de récupération conventionnelles. L abattage des goudrons en sortie gazéifieur n est pas nécessaire, car ils sont détruits thermiquement La combustion des gaz produits dans une chambre secondaire, peut alors, être complète avec des facteurs d air peu élevés, caractéristiques des combustions en phase homogène. Il en résulte : une forte diminution du volume des fumées, et par là, une forte réduction des pertes thermiques convectives à la cheminée, qui se traduit par une augmentation du potentiel de récupération thermique par chaudière de récupération. Une réduction de la taille de l installation

14 Les procédés de pyro-gazéification intégrée Les fumées, en sortie de chambre de postcombustion, sont traitées (neutralisation, dépoussiérage, de-diox) par des dispositifs conventionnels (système d épuration des fumées en voie sèche) Ce type de dispositif, permet de satisfaire l ensemble des normes d émissions à l atmosphère, quelque soit les teneurs effective en chlore, soufre et métaux lourds du CSR entrant

15 Comparaison des techniques de valorisation des déchets INCINERATION GAZEIFICATION Préparation du déchet non Élaboration d un CSR Atmosphère de traitement Oxydante Réductrice Chaleur de réaction H Exothermique ( H < 0) Endothermique ( H > 0) Agent réactif Oxygène (air) Vapeur d eau Réaction thermochimique C + O 2 CO 2 (oxydation) C+H 2 O CO+H 2 (vapo-gazéification) Mode de conduite Excès d air (f = 1,8-2) Défaut d air (f = 0,1-0,2) Produits de réactions Fumées neutres Gaz de synthèse combustible Température de traitement C C Volume de gaz généré 4500 à Nm 3 / T déchets 1800 à 2500 Nm 3 / T déchets Volume de fumées rejeté à l atmosphère 3-3,1 Nm 3 / thermie déchet 1,6-1,7 Nm 3 / thermie déchet Limite de PCI < 3000 Kcal/Kg > 3000 Kcal/Kg Teneur en carbone fixe des résidus solides 2-4% < 0,5% Coût d investissement (rapporté au débit déchet) Coût d investissement (rapporté à la puissance thermique déchet entrant) 3,8 M /(T/h) (PCI entrant = 2200 kcal /kg) 3,15 M /(T/h) (PCI entrant = 3870 kcal/kg) 1,48 M / MWth entrant 0,8 M / MWth entrant

16 Les procédés adaptés à la production optimisée d électricité Ils visent à la mise en place de gazéifieurs destinés à l alimentation de moteurs thermiques ou de turbines à gaz, pour la production d électricité

17 Les procédés adaptés à la production Avantages optimisée d électricité Bon rendement énergétique : le rendement net en conversion électrique par moteurs thermiques est de 29,5%. Ce rendement peut passer à 32% par utilisation de turbines à gaz. Une partie des chaleurs perdues peut être utilisée pour couvrir les besoins en chauffage du site. Vitrification intégrée des mâchefers, cendres et REFIOM, pour former un solide inerte, non lixiviable, utilisable en techniques routières. Inconvénients Préparation poussée des déchets nécessaire. Craquage des goudrons nécessaire Traitement poussé des gaz, pour atteindre les spécifications en entrée moteur.

18 Cahier des charges pour l utilisation de gaz de synthèse en chambre de combustion interne (moteur, turbine à gaz) Application Goudrons mg/nm 3 Particules mg/nm 3 Alcalins mg/nm 3 Ammoniac mg/nm 3 Chlorures mg/nm 3 Sulfures mg/nm 3 Moteur < 50 < 50 < 1 < 50 < 10 < 100 Turbine < 5 < 30» ppmv

19 Gazéification HT en lit entraîné : le Procédé Carbo-V (Choren) Pyro-Gazéification étagée ( C) Vitrification des cendres

20 Procédé d épuration des goudrons Olga mis en place par Eneria. PCI du Syngaz en alimentation moteur à gaz : 5MJ/Nm3

21 Les procédés adaptés à la production d électricité Procédé de Gazéification HERA Procédé de gazéification assisté par torche à plasma Un pilote est installé à Castellgali (Barcelone). Il consiste en un ensemble complet de gazéification, d une capacité de traitement en continu de kg/h, d un déchet de PCI moyen égal à 3900 kcal/kg, à 23,5% d humidité, comprenant : Un dispositif de préparation et d alimentation de déchets Un gazéifieur à trois chambres séparées interconnectées (primaire, secondaire, tertiaire) Un traitement des gaz produits Un ensemble moteurs thermiques à gaz pour la production d électricité (GE Jenbacher)

22 Procédé d épuration des goudrons par craquage thermique Chambre de craquage thermique des goudrons par Torche à plasma (procédé Hera-Plasco) Température de sortie syngaz : 1200 C

23 Valorisations matière des gaz de synthèse En sortie du gazéifieur, le gaz de synthèse produit, peut, après épuration poussée, être transformé : En combustible liquide de 2 génération (BTL), par reformage et conversion catalytique Fisher-Tropsch, En bio-sng (Synthetic Natural Gas), par réaction de méthanation, En bio-h2, par conversion déplacée à la vapeur d eau, et séparation membranaire du mélange CO2/ H2

24 MERCI DE VOTRE ATTENTION

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