Journées du 10ème anniversaire et 2ème Journée Francophone

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1 Journées du 10ème anniversaire et 2ème Journée Francophone Gazéification directe de biomasse humide sur bain fondu en plasma d arc. I. Carlesi, M. Mabrouk, C. Lafon, F. Lemont & J.M. Baronnet. 1

2 Le contexte énergétique: pourquoi s intéresser aux biocarburants? La demande énergétique mondiale est en constante augmentation. Et les conséquences se font ressentir. En particulier sur le climat à cause des gaz à effet de serre. Les énergie alternatives font parties des solutions que nous avons pour continuer à produire l énergie nécessaire en diminuant l émission des gaz à effet de serre. Parmi ces énergies, les biocarburants ont largement été encouragés par la France. Source: Eurostat 2

3 Les biocarburants : où en sommes nous? La filière de production actuelle : les biocarburants de première génération Utilisation uniquement des parties nobles des végétaux Concurrence avec les cultures alimentaires Perte d une partie de la ressource carbone Source: IFP La seconde génération : vers une production plus efficace Utilisation de l ensemble de la plante Cultures à croissances rapides dédiées Meilleur bilan environnemental Source: IFP Augmentation d un facteur 3 à 4 de la production d énergie 3

4 Le choix de la voie thermochimique C 6 H 9 O H 2 O => 6 CO + 6,5 H2 Parmi les voies thermochimiques, les procédés allothermiques, c est à dire ceux dont l apport d énergie est externe, présentent le meilleur rendement matière. L ensemble de la biomasse est utilisée pour produire les gaz d intérêt. Le rendement augmente également avec la température. D où l idée d utiliser un arc électrique comme vecteur d énergie externe. 8 nombre de moles H 2 /CO Zone de rendement optimum, 4 C solide techniquement accessible 3 2 H 2 O 1 CO 2 0 CH T( C) Source: J.M. Seiller - Conseil Scientifique CEA/NTE filière Hydrogène - novembre 2004 H2 CO 4

5 Le procédé : la gazéification en ambiance plasma sur bain minéral Schéma de principe du réacteur : creuset FROID 350A-100/200 V sous argon seul 200A 170/200 V avec biomasse Puissance fournie : 30/35 kw Dépression de 10 cm de colonne d eau Débit biomasse : de 1 kg/h Zone chaude induite par le plasma Gazéification haute température Tc Tc 25 cm TEMPERATURE : 800 C HETEROGENE Tc Bain minéral Tc Apport d énergie à la biomasse par contact et/ou rayonnement Prise en charge des cendres issues de la gazéification Temps de séjour suffisamment long pour espérer une gazéification complète 5

6 Le procédé : la gazéification en ambiance plasma sur bain minéral Schéma de principe du réacteur : creuset CHAUD 350A 100/200 V sou argon seul 150A V avec biomasse Puissance fournie : 30/35 kw Dépression de 10 cm de colonne d eau Débit biomasse : 1à 2 kg/h Zone chaude induite par le plasma Gazéification haute température TEMPERATURE : 1400 C HOMOGENE Tc Bain minéral Tc Apport d énergie à la biomasse par contact et/ou rayonnement Prise en charge des cendres issues de la gazéification Temps de séjour suffisamment long pour espérer une gazéification complète 6

7 Le procédé : la gazéification de biomasse Le choix du hêtre comme modèle de biomasse Caractéristiques : Bois brut Non traité Dimensions moyennes: 7 x 3.4 x 1.4 mm Poids moyen: 0,012 g - Abondance de la ressources en France (9% de nos forêts) - Peu d études déjà menées sur la chimie de ce bois - Adéquation avec les objectifs du procédé - Possibilité d avoir des échantillons sous plusieurs formes : Éclats de bois (société SPPS) Billes (société AS BOIS) Caractéristiques : Bois brut Non traité Diamètre moyen: mm Poids moyen: 2,23 g 7

8 Résultats des essais de caractérisation 1) Vitesse de réaction macroscopique de réaction 3 minutes pour atteindre la température de gazéification (1200 C) au cœur de la bille : Le front de gazéification se déplace de 1 mm toutes les 20 secondes. Bille : 18 mm 2,2 g Temps écoulé : 1 min Perte diamètre : 3 mm Le front de gazéification parcours 1 mm en 40 secondes La réaction n est pas linéaire. La vitesse de réchauffement varie entre 60 C/s et 30 C/s La pyrolyse flash se fait à partir de 50 C/s. On peut supposer que la réaction de pyrolyse précède la gazéification du résidu plus lente. Diamètre : 18 mm / Temps de réaction : 3 minutes Réaction en deux temps 8

9 Résultats des essais de caractérisation 2) ATG Température : 1375 C RESIDU DE PYROLYSE Diamètre : 18 mm / Temps gazéification : 3 minutes Réaction en deux temps 9

10 Résultats des essais de caractérisation 3) MEB Environnemental Tailles ( m) Evolution de la taille d'une cellule de hêtre lors d'un traitement thermique (MEB-env) (en m) Température ( C) Réaction en deux temps. Changement à 500 C - Avant: pyrolyse - Après: gazéification Or dans le réacteur on passe très vite au dessus de 500 C, donc on évite une étape de pyrolyse lente formatrice de goudrons 10

11 Résultats d un essai de gazéification d éclats de hêtre %vol O2, CO, H2, H2O, CO2, CH : Gaz majoritaires ( -GC) H2 CO Injection biomasse O N2 H2O CO2 CH :36 14:48 15:00 15:12 15:24 15:36 15:48 16:00 16:12 16:24 16:36 16:48 17:00 17:12 17:24 17:36 Production importante des gaz d intérêts H2 et CO Rapport H2/CO proche de 1 Rapport CO/CO2 = 22,4 Rendement de conversion en CO : 95% Courbes de la compositions des gaz en sortie du réacteur par GC. Injection d éclats de hêtre en continu %vol Argon+O2,N2 Temps d injection : 71 minutes Débit biomasse : 1,5 kg/h Masse injectée : 1875 g Humidité biomasse : 25% Température moyenne pour l atmosphère : 1400 C Puissance moyenne fournie : 30 kw Modélisation de gazéification obtenue avec ALEX Ar 1,00E+02 1,00E+01 1,00E+00 1,00E-01 1,00E-02 1,00E-03 H2 CO H2O C(s) CH4 CO2 H C2H2 11 C C2 CH

12 Résultats d un essai de gazéification d éclats de hêtre : Gaz minoritaires ( -GC) % vol, CH CH4 % (chb) benzene ppm C2H4 ppm C2H2 ppm C2H6 ppm ppm vol Faible production de: CH4 : 0.01 %vol C2H2 : 1,1 ppm Teneurs en goudrons dans l atmosphère du four par sonde SPA (Solid Phase Adsorption) -Benzène : 65,5 ppm -Toluène : 3 ppm -Naphtalène : 8,6 ppm :33 14:45 14:57 15:09 15:21 15:33 15:45 15:57 16:09 16:21 16:33 16:45 16:57 17:09 17:21 17:33 Ces résultats sont cohérents avec nos hypothèses : -la biomasse subit une pyrolyse flash à haute température -Les gaz de pyrolyse sont réformés par leur passage dans la zone à haute température (1400 )) -Les résidus solides de pyrolyse sont gazéifiés sur le lit de verre 12

13 Perspectives Coupler l analyse en thermobalance avec une analyse des gaz en continue pour associer la cinétique à la chimie de la réaction de gazéification Réaliser un modèle de la gazéification à très haute température 13