Méthodes d échantillonnage et d analyse des gaz pour le contrôle des procédés thermochimiques

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1 SéminaireBIOENERGIESUD Capteurs gaz pour la mesure et le contrôle des procédés Méthodes d échantillonnage et d analyse des gaz pour le contrôle des procédés thermochimiques Ghislaine VOLLE CIRAD Unité de Recherche Biomasse Energie ghislaine.volle@cirad.fr 1

2 Les Procédés Thermochimiques Biomasse lignocellulosique Torréfaction C Pyrolyse C Gazéification C Combustion Bois torréfié Charbon Chaleur Chaleur Espèces condensables Gaz Vapeurs condensables Gaz Gaz (Syngaz) Goudrons Fumées (poussières, polluants ) Echantillonnage et Analyse 2

3 Echantillonnage et analyse des produits Quels objectifs? Optimisation/compréhension (paramètres expérimentaux) Validation (efficacité, rendement, respect contexte règlementaire) Pour mesurer quelles grandeurs? Teneur en particules ou poussières Composition des gaz : -Non condensables: CO, H 2, CO 2, CH 4, C 2 H 4, C 2 H 6, O 2, N 2, (NOx, SO 2 ) -Espèces condensables (goudrons, huiles, eau) : nature et concentration Bilans matières Bilans énergie 3

4 Choix de la méthode d échantillonnage Contexte normatif: Norme CEN/TS (2006) : Gazéification de Biomasse -Goudron et particules dans les gaz produits - Echantillonnage et analyse. Normes spécifiques aux émissions de polluants à l atmosphère (poussières, CO, COV, NOx, HAP...): essentiellement installations de combustion Fonction du procédé étudié et des conditions opératoires Dépend des objectifs de la mesure: -représentativité dans le temps (prélèvements plus courts et plus nombreux) - représentativité spatiale ( emplacement point de prélèvement) 4

5 Schéma du système d échantillonnage CIRAD Système de prélèvement Module de filtration Canne de prélèvement chauffée > Filtre chauffé > Tube de Pitot P Mesure vitesse/débit Système contrôle/mesure débits Module de condensation Compteur Débimètre CONDUIT T Gaz condensables Gaz incondensables Particules < Pompe > < Analyseur gaz Système analyse en ligne 5

6 Choix de la méthode d échantillonnage Adaptation du système d échantillonnage: -Température de traçage de la canne de prélèvement (20 C 350 C) -Présence ou non d un filtre à particules -Spécificité module de condensation (nombre de bulleurs, fritté, température des bains, solvant ) - Prélèvement iso cinétique ( mesure vitesse par Pitot) - Débit d échantillonnage (1l/min 25 l/min) - Durée d échantillonnage - 6

7 Choix de la méthode d échantillonnage: exemple Echantillonnage en sortie de réacteur de gazéification Débit d échantillonnage*: -entre 1.6 et 10 Nl/min. Bulleurs*: -6 bulleurs en série. -bulleurs 2,3 et 5 sont équipés d un fritté. - bulleurs 1,2,3,4 et 5 contiennent de l isopropanol(environ 100ml) -bulleur 6 est vide. -bulleurs 1,2 et 4 dans un bain thermostatéà 40 C -bulleurs 3,5 et 6 dans un bain thermostatéà -20 C Durée et volume d échantillonnage*: - durée d échantillonnage optimale à fixer en fonction: -teneur en goudrons des gaz analysés - LD de notre appareil d analyse. -Volume minimal de gaz échantillonné : 0.1 Nm 3 * Selon norme CEN/TS

8 Spécifications: Instrumentation et analyse des produits Analyse des gaz en continu par Micro GC - 2 colonnes analytiques - Principaux gaz incondensables: CO, H 2, CO 2, CH 4, C 2 H 4, C 2 H 6, O 2, N 2 - Micro détecteur à conductibilité thermique (TCD) - Linéarité : 0.1 % 100 % - Analyse en continu (1 analyse/1-2min.) 8

9 Instrumentation et analyse des produits Analyse des gaz en continu par Micro GC Quantification : - Méthode d étalonnage externe à partir de différents mélanges de gaz standard -Sélection des points de calibration versus application Métrologie : -Vérification (3 mois), calibration - Evaluation des incertitudes de mesures: ~ 5% 9

10 Points forts: -Analyse en continu Instrumentation et analyse des produits Analyse des gaz en continu par Micro GC - Analyse simultanée de nombreux gaz (hétéro-atomiques et di-atomiques) -Robuste (conditions d utilisation parfois difficiles (température)) -Large gamme de linéarité et facilité de calibration - Stable (dans des conditions d utilisation données) Points faibles: -Temps de réponse (min) - Sensible aux conditions environnementales (température) - sensibilité (faibles concentrations ) 10

11 Instrumentation et analyse des produits Analyse des condensables Teneur en eau : Karl Fisher Analyse des composés organiques : GCMS -Source EI - Quadripôle - Possibilité analyse simultanée SCAN/SIM Identification: Bibliothèque NIST Quantification: Méthode d étalonnage interne. ( µg/ml) ~ 60 composés 11

12 Instrumentation et analyse des produits Analyse des condensables Points forts: - Analyses qualitative et quantitative très performantes - Possibilité d identification de composés nouveaux - Applicable aux divers procédés (torréfaction, pyrolyse, gazéification) Points faibles: - Analyse extractive (risques de pertes) - Calibration lourde - Utilisation solvant (dilution, évaporation) 12

13 Conclusion Méthodes d échantillonnage et d analyse performantes pour différents procédés thermochimiques : - Système d échantillonnage modulable - Analyse incondensables: microgc répond bien à nos besoins sur une large gamme de concentration - Analyse condensables: Identification de nombreux composés organiques et quantification ~ 60 composés. Limites - faibles concentrations (< 100 ppm) - piégeage de certains composés légers Perspectives -analyseur en ligne IRTF - techniques d adsorption (SPE, SPME) 13

14 Merci de votre attention 14