Épuration d'un gaz de synthèse à travers un lit fixe de charbon

Huchon Valentin. 2021. Épuration d'un gaz de synthèse à travers un lit fixe de charbon. Montpellier : Université de Montpellier, 220 p. Thèse de doctorat : Génie des procédés : Université de Montpellier

Titre anglais : Syngas cleaning over a char fixed bed

Résumé : Les procédés de gazéification permettent la valorisation énergétique de biomasses solides par leur transformation en un gaz de synthèse riche en H2 et CO, valorisable pour la production d'énergie. Le gaz de synthèse contient également de nombreux polluants et son épuration reste un des freins majeurs au développement industriel de cette technologie. Parmi ces polluants, les goudrons sont des composés organiques qui condensent à partir de 350°C et encrassent les équipements en aval du gazéifieur. Leur condensation impacte la fiabilité de ces procédés du fait d'une maintenance récurrente et de la réduction de la durée de vie de certains équipements. L'utilisation du charbon pour l'épuration du gaz de synthèse a beaucoup été étudiée sur des molécules modèles à l'échelle laboratoire, mais beaucoup moins sur des goudrons réels provenant directement d'un gazéifieur. Cette thèse vise l'étude de la conversion des goudrons et du gaz de synthèse à travers un lit de charbon. D'un point de vue méthodologique, une étude expérimentale a été menée en s'appuyant sur un réacteur original de conversion des goudrons développé et mis au point dans le cadre de cette thèse. Ce réacteur catalytique a été couplé à un réacteur commercial de gazéification de technologie à lit fixe co-courant.Dans les conditions opératoires de référence pour la conversion des goudrons (800°C ; 2s), et pour une teneur en goudrons de l'ordre de 9 g/Nm3, le taux de conversion est de 51%. La part du craquage thermique sur la conversion des goudrons est dans ces conditions de 11%.Des essais ont également été menés pour étudier l'influence de la teneur en air et en eau, du temps de séjour, et de la température sur la conversion des goudrons et du gaz de synthèse. Une augmentation de ces paramètres favorise la conversion des goudrons à l'exception de la teneur en eau. Une teneur en vapeur d'eau de 19% diminue le taux de conversion des goudrons à 40%, contre 50% pour une teneur en eau de 12%. L'ajout de 11,2% d'air dans le gaz de synthèse permet d'augmenter le taux de conversion des goudrons à 70% contre 40% sans air à 800°C et 2s. Dans ce cas, le PCI du gaz de synthèse diminue de 12,6% malgré un taux de production de H2 de 31,9% à travers le lit de charbon. Pour une faible teneur en goudrons de 5,7 g/Nm3 et un temps de séjour de 1,82s à 800°C, un gaz de synthèse composé majoritairement de benzène, toluène, éthylbenzène, xylènes (BTEX) est obtenu. Dans ces conditions, la teneur en goudrons (hors BTEX) de 151 mg/Nm3 et le point de condensation des goudrons de 40°C après craquage permettent d'envisager un couplage direct avec un moteur. Pour des temps de séjour inférieurs à 0,6s à 800°C, des composés HAP sont formés malgré un taux de conversion des goudrons de 40,5%, se traduisant par une augmentation du point de condensation des goudrons à travers le lit de charbon.Et enfin, un jeu de paramètres opératoires permettant l'élimination de l'ensemble des goudrons problématiques a été proposé et testé en vue d'un passage à l'échelle industrielle.

Résumé (autre langue) : Gasification processes allow the energy recovery of solid biomasses by their transformation in a synthesis gas with high content in H2 and CO, which can be used for energy production. Syngas also contains many pollutants and the gas cleaning is one of the major bottleneck to the industrial development of this technology. Among these pollutants, tars are organic compounds that condense below 350°C and clog the equipment downstream of the gasifier. Their condensation impacts the reliability of these processes due to recurrent maintenance and the reduction of the lifespan of some equipment. The use of char for syngas cleaning has been extensively studied on laboratory scale model molecules, but far less on real tars coming directly from a gasifier. This work aims at studying the conversion of tars and syngas over a char bed.An experimental study was performed based on an original tar conversion reactor developed and designed in the framework of this thesis. This catalytic reactor was coupled to a commercial gasification unit.In the reference operating conditions for tar conversion (800°C; 2s), and for a tar content of the order of 9 g/Nm3, tars conversion rate is 51%. Part of thermal cracking in tars conversion is 11%.Tests were also performed to investigate the influence of air and water content, residence time and temperature on tars and syngas conversion. Tars conversion is improved by increasing theses parameters, except steam content : a water content of 19% decreases the conversion rate of tars to 40%, compared to 50% for a water content of 12%. The addition of 11.2% air to the syngas increases tars conversion rate to 70% compared to 40% without air at 800°C and 2s. In this case, syngas LHV decreases by 12.6% despite a H2 production increases by 31.9% over the char bed. For a low tar content of 5.7 g/Nm3 and a residence time of 1.82 s at 800°C, a syngas composed mainly of benzene, toluene, ethylbenzene, xylenes (BTEX) is obtained. Under these conditions, the tar content (excluding BTEX) of 151 mg/Nm3 and the tar dew point of 40°C after cracking make it possible to envisage direct coupling with an engine. For residence times of less than 0.6 s at 800°C, PAH compounds are formed despite a tars conversion rate of 40.5%, resulting in an increase in the tar dew point over the char bed.Finally, a set of operating parameters allowing the elimination of all problematic tars was proposed and tested in readiness for an industrial scale-up.

Mots-clés Agrovoc : gaz de synthèse, purification, gazéification, production énergétique

Mots-clés complémentaires : Goudron

Classification Agris : P05 - Ressources énergétiques et leur gestion
P02 - Pollution

Auteurs et affiliations

• Huchon Valentin, CIRAD-PERSYST-UPR BioWooEB (FRA)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/600680/)

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