Cours en ligne et simulateur de thermodynamique appliquée

Combustion de la biomasse

Remarque

Utilisation énergétique de la biomasse

Introduction

On appelle biomasse l'ensemble des matériaux organiques, d'origine principalement végétale, naturelle ou cultivée, terrestre ou marine, provenant de la conversion chlorophylienne de l'énergie solaire, à l'exclusion des combustibles fossiles.

La biomasse est principalement composée de lignine (C40H44O6) (25 %), et de carbohydrates Cn(H2O)m (cellulose C6H10O5 et hemicellulose) (75 %).

L'utilisation énergétique de la biomasse peut se faire selon trois grandes catégories de procédés :

  • la conversion biochimique : digestion, hydrolyse et fermentation

  • la conversion chimique (esterification)

  • la conversion thermochimique : combustion, co-combustion, pyrolyse et gazéification.

La conversion biochimique comprend deux principaux modes : la digestion anaérobie et la digestion aérobie.

  • dans le premier cas, qui se déroule en l'absence d'oxygène, il y a production d'un "biogaz", constitué principalement par du méthane (50-65 %), et par du CO2 (30-35 %) et autres gaz. Les réactions prennent place à des températures comprises entre 20 et 70 °C. La réaction de base est CH3COOH --> CH4 + CO2

  • dans le second cas, il y a production de davantage de CO2 et de H2O.

La conversion thermochimique se subdivise en combustion et co-combustion (en excès d'air), gazéification (en défaut d'air) et pyrolyse (en l'absence d'air).

La combustion est le mode de conversion le plus ancien et sans doute le plus employé, tant pour les utilisations domestiques qu'industrielles. Son rendement est bon dans la mesure où le combustible est riche en glucides structurés (cellulose et lignine), et surtout suffisamment sec (humidité inférieure à 35 %).

La co-combustion consiste à brûler simultanément un combustible fossile, généralement du charbon, et une biomasse (jusqu'à 15 %), afin de réduire, dans une chaudière existante, la quantité de combustible initial.

La pyrolyse permet de convertir une biomasse relativement sèche (humidité inférieure à 10 %) et de rapport C/N supérieur à 30, en divers combustibles à haut PCI stockables, sous forme gazeuse, liquide et solide (le charbon de bois). Elle se déroule à des températures comprises entre 400 et 800 °C, et peut se faire selon plusieurs modes : pyrolyse lente ou carbonisation (produit uniquement solide), pyrolyse conventionnelle à température modérée (600 °C) (1/3 gaz, 1/3 liquide, 1/3 solide), pyrolyse rapide à 500 – 600 °C, qui prend place en environ une seconde (70-80 % de produit liquide), pyrolyse flash, à plus de 700 °C et en moins d'une seconde (plus de 80 % de produit liquide).

La gazéification de la biomasse est obtenue en réalisant une combustion en défaut d'air comportant schématiquement deux grandes étapes : une pyrolyse produisant des phases gazeuse, liquide et solide, suivie de la gazéification proprement dite de ces deux dernières phases.

Dans un gazéifieur, le combustible commence par être séché, puis il est pyrolysé, ces deux étapes étant endothermiques. Les produits gazeux sont alors brûlés à haute température, dégageant de la chaleur dont une partie est utilisée par les deux étapes précédentes. Les gaz brûlés sont alors remis en contact avec la phase solide issue de la pyrolyse et avec l'eau provenant du séchage, ce qui suscite une réaction de réduction qui conduit à la formation d'un gaz de synthèse riche en CO et H2, dont le PCI est voisin de 70 à 75 % de celui de la biomasse d'origine.

Plusieurs procédés de gazéification existent :

  • les systèmes à lit fixe, qui se décomposent en deux principales technologies, les gazéificateurs à circulation ascendante (updraft), et ceux à circulation descendante (downdraft)

  • les systèmes à lit fluidisé, qui comportent eux aussi deux catégories, les lits fluidisés bouillonnants et circulants.

Les premiers correspondent à des installations de taille petite ou moyenne, et les seconds aux grandes. Le tableau ci-dessous, issu de [van de Steene et al., 2003], présente les avantages et inconvénients des principaux prodédés de gazéification.

Modélisation de la conversion thermochimique

Nous présentons ici un modèle simplifié qui permet de simuler différents types de combustions de biomasse, et dans lequel il est possible de faire varier avec une assez grande souplesse la composition et l'humidité du combustible ainsi que les conditions de la combustion. La classe externe dans laquelle il est implémenté, appelée BiomassCombustion , peut ainsi être utilisée aussi bien pour simuler une chaudière qu'un gazéifieur à circulation descendante .

Ce modèle est très sommaire comparativement à ceux qui sont actuellement étudiés dans les laboratoires de recherche, notamment dans sa représentation des phénomènes de pyrolyse [Vijeu et al., 2005]. Son principal intérêt est de permettre à des utilisateurs de Thermoptim d'aborder l'étude des conversions thermochimiques de la biomasse et de l'insertion de gazéifieurs ou chambres de combustion dans des systèmes complets.

Afin de simplifier l'écriture du modèle, on a pris le parti d'utiliser les fonctions de calcul de la combustion déjà présentes dans Thermoptim , en se contentant de rajouter les équations correspondant aux réactions que le progiciel ne prend pas en compte.

Sur le plan thermodynamique, les principaux paramètres qui influencent la combustion de la biomasse sont les suivants :

  • en premier lieu, bien évidemment, la composition du combustible

  • en second lieu, son humidité, qui d'une part détermine l'enthalpie nécessaire au séchage, d'autre part joue sur la composition des gaz, et enfin influence la dissociation du CO

  • enfin, la température de figeage et le taux de dissociation du CO2

Afin de séparer autant que possible l'influence de ces deux premiers paramètres, la composition de référence est celle du combustible sec, et l'humidité sera prise en compte par un apport d'eau. Etant donné que l'humidité globale n'est pas nécessairement celle qui régit l'équilibre thermodynamique, une partie de la vapeur d'eau pouvant, pour des raisons de cinétique ou de géométrie, ne pas réagir, nous introduisons un paramètre complémentaire, égal à la fraction de l'eau intervenant dans la combustion. Physiquement, cela signifie qu'une fraction de l'eau n'est pas dissociée : elle doit être vaporisée mais joue sur la composition des gaz comme si elle était inerte.

La composition de la biomasse varie beaucoup selon son origine et son humidité. On pourra cependant retenir des valeurs voisines de 25 % de lignine (C40H44O6) et 75 % de carbohydrates Cn(H2O)m (cellulose C6H10O5 et hemicellulose).

Une estimation de la composition du gaz de synthèse et de son PCI (valeurs rapportées au gaz sec) est donnée dans le tableau ci-dessous.

Définition du combustible et déroulement de la combustion

La définition du combustible dans Thermoptim peut être faite de la manière suivante (figure ci-dessous)  :

  • le comburant (généralement de l'air) est quant à lui défini dans la transfo-point "air". Les débits mis en jeu sont eux aussi spécifiés dans chacune des trois transfos-points en entrée du mélangeur externe. Leurs rapports respectifs permettent ainsi de jouer sur l'humidité du combustible et sur l'excès d'air.la composition du gaz sec, hors espèces non prises en compte dans le noyau de Thermoptim) est estimée, par exemple dans un tableur à partir des valeurs connues, et entrée sous forme d'un gaz composé (transfo-point "dry fuel") ;

  • les espèces non considérées par le noyau de Thermoptim sont prises en compte séparément : elles sont entrées dans l'écran du composant, et font l'objet d'une précombustion ;

  • le gaz sec est mélangé à de l'eau (gaz H2O) pour former le combustible humide (transfo-point "humidity") ;

  • la combustion finale est réalisée grâce aux fonctions du noyau de Thermoptim, qui sont émulées depuis la classe externe (mélangeur externe "biomass combustion"), en tenant compte de la précombustion et de l'enthalpie qui aurait été nécessaire pour vaporiser l'eau.

Deux exemples d'utilisation de ce composant pour modéliser une chaudière à biomasse et un gazéifieur sont donnés dans la modélothèque de Thermoptim.

Références livre

Chapitre 9 du tome 3

Références

S. P. BABU, Observations on the current status of biomass gasification, prepared for task 33 : Gasification of biomass, 2005

K. W. KWANT, H. KNOEF, Status of gasification in countries participating in the IEA and GasNet activity, 2004

L. VAN DE STEENE, G. PHILIPPE, Le point sur la gazéification de la biomasse, Bois-Energie n°1, 2003

VIJEU R., GERUN L., BELLETTRE J., TAZEROUT M., YOUNSI Z., CASTELAIN C., Modèle thermochimique bidimensionnel de pyrolyse de la biomasse, International Congress on the Renewable Energies and the Environment - CERE, 24-26 mars 2005, Sousse, Tunisie, 8 p.

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