Etude d'un procédé de gazéification de biomasse en ambiance plasma sur bain de verre

Discipline

Chimie et Microbiologie de l'Eau

Classification

Chimie, minéralogie, cristallographie

Mots-clés libres

plasmas, gazéification, arc électrique, biomasse

Mots-clés

Biomasse des forêts - Thèses et écrits académiques,

Lignocellulose - Thèses et écrits académiques,

Biomasse -- Gazéification - Thèses et écrits académiques

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.