mémoire de fin d'étude_dimitri kabore_version final corrigé
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ETUDE ET OPTIMISATION D’UN GAZIFIEUR A COQUES D’ANACARDE
Mémoire pour l’obtention du diplôme de Master 2 en Energie
Présenté par KABORE W Serge Dimitri
2012
Encadreurs:
Dr Yohan RICHARDSON Chercheur au LBEB
William ILBOUDO
Directeur général de ISOMET
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DEDICACE
Je dédie ce travail à mes très chers parents, à ma sœur Léaticia et à mon frère Boris
pour leur amour et leur soutien. Je n’oublie pas non plus mes meilleurs amis,
Christian, Steve John et Patrice.
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REMERCIEMENT
Je remercie Mr Williams Ilboudo, pour la confiance qu’il m’a accordée en m’accueillant dans son
entreprise ISOMET. Je tiens aussi à le remercier pour les moyens qu’il a mis en ma disposition
pour me permettre d’accomplir ce travail.
Je remercie sincèrement le Dr Yohan Richardson, chercheur au Laboratoire de Biomasse Energie
et Biocarburant (LBEB-2IE), pour m’avoir apporté son aide précieux en logistique et conseils et
aussi pour avoir accepté de diriger et d’examiner mon travail. Puisse-t-il trouver ici le
témoignage de ma profonde gratitude.
Je remercie le DR Joël Blin, responsable du Laboratoire Biomasse et Energie et Biocarburant,
pour m’avoir avoir accueilli dans son laboratoire et permis de réaliser les travaux pour mon
mémoire.
J’exprime ma profonde gratitude à tout le personnel du LBEB, en particulier Mr Odilon
CHANGOTADE et Mr TANOH Tchini Sévérin pour l’assistance qu’ils m’ont apporté durant mes
travaux au laboratoire.
Je remercie, toute l’équipe technique d’ISOMET, pour leur collaboration sans faille et l’accueil
chaleureux qu’ils m’ont réservé.
Je remercie mon frère et ami Christian BATIONO pour m’avoir offert un logis durant mon séjour
à Kamboinsé.
Je remercie l’ensemble d’enseignant de l’UTER GEI du 2iE, pour tout le savoir qu’ils m’ont
transmis.
Je remercie le président du jury et l’ensemble de membre du jury pour avoir accepté de juger ce
travail.
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RESUME Cette étude a eu pour objectif d’étudier et d’optimiser la gazéification à l’échelle pilote de coques
d’anacardes pour la production de chaleur, directement utilisable dans les procédés de
transformations de noix d’anacardes des unités semi-industrielles. Dans un premier temps, un
gazéifieur à coques d’anacardes a été conçu et fabriqué pour servir de prototype d’essai afin de
tester les performances de la conversion thermochimique des coques d’anacardes en énergie
thermique. Les tests de gazéification réalisés ont permis de mettre en évidence que l’état
d’encrassement des conduites de gaz connectées au brûleur, le débit d’air à l’entrée du réacteur
contrôlant le ratio d’équivalence et l’humidité des coques sont des paramètres déterminants sur
les performances énergétiques du gazéifieur. Dans les conditions optimales de fonctionnement
que nous avons identifiées, le gazéificateur à coques d’anacarde produit une puissance
thermique maximale d’environ 32,12 KW et a un rendement thermique maximal de 38,8%. Sur
la base de cette première phase d’expérimentation, des modifications dans la conception du
gazéifieur ont été proposées dans le but d’améliorer ses performances en termes de rendement
massique et thermique, et de faciliter son fonctionnement et sa maintenance. Ce deuxième
prototype de gazéifieur sera caractérisé et installé dans les unités semi-industrielles de
transformation de noix d’anacardes de WOUOL à Dakoro.
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ABSTRACT This work aimed at studying and optimizing the pilot-scale gasification of cashew nut shells to
produce heat, directly usable in the transformation processes of cashew nuts in semi-industrial
units. A cashew nuts shells gasifier was first designed and constructed to serve as a prototype to
test the performance of the thermochemical conversion of cashew shells into thermal energy.
The gasification tests performed helped to highlight the main parameters affecting the
performances of the gasifier. These parameters are the state of clogging of pipes connected to
the gas burner, the air flow at the reactor input that controls the equivalence ratio and the hulls
moisture. With the optimum operating conditions that we have identified, the gasifier produced
a thermal power of up to 32.12 kW and a thermal efficiency of up to 38.8%. Based on this first
experimental phase, relevant changes in the design of the gasifier have been proposed in order
to both improve its performances in terms of mass yield and thermal efficiency, and facilitate its
operation and maintenance for users. This second gasifier prototype will be characterized and
set up in the semi-industrial unit of cashew nuts processing of WOUOL in Dakoro.
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TABLE DES MATIERES DEDICACE ........................................................................................................................................................................... 1
REMERCIEMENT .............................................................................................................................................................. 2
RESUME ............................................................................................................................................................................... 3
ABSTRACT ........................................................................................................................................................................... 4
TABLE DES MATIERES ................................................................................................................................................... 5
LISTE DES TABLEAUX .................................................................................................................................................... 7
LISTES DES FIGURES ...................................................................................................................................................... 8
INTRODUCTION ................................................................................................................................................................ 9
1. Contexte et problématique .............................................................................................................................. 9
2. Objectifs et méthodologie ................................................................................................................................. 11
1. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE .................................................................................................................................. 13
1.1. Données générales sur les coques d’anacardes .................................................................................... 13
1.1.1. La noix d’anacarde .............................................................................................................................. 13
1.1.2. Transformation de la noix ............................................................................................................... 13
1.1.3. Composition Chimique de la coque d’anacarde ...................................................................... 14
1.2. Principe de la gazéification ...................................................................................................................... 15
1.3. Chimie de la gazéification de la biomasse ......................................................................................... 16
1.3.1. Le séchage .............................................................................................................................................. 17
1.3.2. La pyrolyse ............................................................................................................................................ 17
1.3.3. La combustion............................................................................................................................................ 17
1.3.4. La réduction ................................................................................................................................................ 18
1.4. Propriétés du gaz produit par gazéification ...................................................................................... 20
1.5. Influence du ratio d’équivalence sur la gazéification .................................................................... 21
1.6. Influence de la qualité de la biomasse sur les performances de la gazéification ................ 24
1.7. Les technologies de gazéification ......................................................................................................... 25
1.7.1. Les procédés à lit fixe ........................................................................................................................ 26
1.7.2. Les gazéifieurs étagés ........................................................................................................................ 28
1.7.3. Les gazéifieurs à lits fluidisés .............................................................................................................. 29
1.7.3. Données comparatives sur les diverses technologie de gazéification. .......................... 31
1.8. Les applications de la gazéification. ..................................................................................................... 33
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1.8.1. La production directe de chaleur. ................................................................................................. 33
1.8.2. La production d’électricité .............................................................................................................. 34
2. TESTS DE PERFORMANCES, CARACTERISATION DU GAZEIFIER A COQUES D’ANACARDES37
2.1. Matériels et méthodes ............................................................................................................................... 37
2.1.1. Description et principe de fonctionnement du gazéifieur à coques d’anacardes ...... 37
2.1.2. Méthodologie de caractérisation des souffleurs d’air .......................................................... 45
2.1.3. Méthodologie du Test d’ébullition de l’eau ............................................................................... 46
2.1.4. Méthodologie de caractérisation de la biomasse. .................................................................. 47
2.1.5. Méthodologie de caractérisation du gazéifieur à coque d’anacarde ............................... 48
2.2. Résultats et discussions ............................................................................................................................ 50
2.2.1. Caractérisation des souffleurs ....................................................................................................... 50
2.2.2. Résultats d’analyses immédiates .................................................................................................. 52
2.2.3. Le pouvoir calorifique ....................................................................................................................... 53
2.2.4. Résultats de tests d’ébullition de l’eau ....................................................................................... 54
2.2.5. Résultats des tests de gazéification ............................................................................................. 55
2.3. Synthèse des tests de caractérisation du gazéifieur à coque d’anacardes. ....................... 60
3. OPTIMISATION DU GAZEIFIEUR .................................................................................................................... 62
3.1. Amélioration sur la chambre de gazéification et le réacteur. ..................................................... 62
3.2. Améliorations fonctionnelles sur le gazéifieur. ............................................................................... 64
CONCLUSION ET PERSPECTIVES............................................................................................................................ 66
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ....................................................................................................................... 68
ANNEXES .......................................................................................................................................................................... 70
ANNEXE 1 : Mode opératoire de caractérisation des souffleurs ............................................................ 70
ANNEXE 2 : Conduite du gazéifieur ................................................................................................................... 71
ANNEXE 3 : Méthode Opératoire de test ébullition d’eau (Water boiling test) ............................... 73
ANNEXE 4 : Test du prototype N°2 du gazéifieur ....................................................................................... 74
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LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1: Principales réaction chimique mises en jeu lors d’une gazéification de biomasse (7) 17
Tableau 2: Exemple de composition chimique d’un gaz produit par gazéification à l’air de bois (8) 21
Tableau 3: Valeurs expérimentales de débits et puissances du souffleur du gazéifieur 51
Tableau 4: Analyse immédiate de coques d'anacardes et charbons 52
Tableau 5: Valeur de pouvoirs calorifiques des échantillons par test 54
Tableau 6: Résultats de test d'ébullition d'eau du gazéifieur 54
Tableau 7: Bilans de matière et d'énergie de gazéification 56
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LISTES DES FIGURES Figure 1: Noix d'anacarde composée de l’amande, la pellicule et la coque. _________________________________________ 13
Figure 2: Composition élémentaire de la coque d'anacarde (2) __________________________________________________ 14
Figure 3: Structure des principaux composés phénoliques caractéristiques du baume de la coque d'anacarde (5) _________ 15
Figure 4:Principe de gazéification de la biomasse (source: BTG ; http://www.btgworld.com) _________________________ 19
Figure 5: température de la réaction en fonction du ratio d’équivalence (9) ________________________________________ 23
Figure 6: Energie du charbon et du gaz en fonction ratio d’équivalence (9) ________________________________________ 23
Figure 7: composition du gaz fonction du ratio d’équivalence (9) ________________________________________________ 23
Figure 8: Evolution du flux d'énergie en fonction de la température de gazéification (12) ____________________________ 24
Figure 9: Evolution du flux d'énergie pour différentes humidité du bois (12) _______________________________________ 24
Figure 10: Influence de l'humidité sur le pouvoir calorique du gaz de synthèse (12) _________________________________ 25
Figure 11: Principe d'un gazéifieur à lit fixe contre-courant (Updraft) (14) ________________________________________ 27
Figure 12: Principe d'un gazéifieur à lit fixe co-courant (14) ____________________________________________________ 28
Figure 13: Principe d'un gazéifieur étagé (source: http://xylowatt.com) __________________________________________ 29
Figure 14: Principe de gazéifieurs en lit fluidisé dense (à gauche) et circulant (à droite) (14) _________________________ 30
Figure 15: Contraintes que doit respecter la biomasse pour les différents types de gazéificateurs (12) __________________ 31
Figure 16: Avantages et inconvénients des différents procédés pour la gazéification de la biomasse (15) ________________ 32
Figure 17: Puissance des installations envisageables (15) _______________________________________________________ 32
Figure 18: Application thermique de la gazéification (16) ______________________________________________________ 33
Figure 19: Gazéifieur à application thermique. (16) ___________________________________________________________ 34
Figure 20: Schémas d'une centrale de gazéification à cogénération (16) __________________________________________ 36
Figure 21: Schéma de principe et vue isométrique du CFRHG 40D (17) ____________________________________________ 38
Figure 22: Schéma du gazéifieur à coques d’anacarde __________________________________________________________ 39
Figure 23: Schémas du réacteur du gazéifieur à coque d'anacarde _______________________________________________ 40
Figure 24: Schéma de la chambre de gazéification_____________________________________________________________ 42
Figure 25: Conduites de circulation de gaz et d’air chaud du gazéifieur à coque d’anacarde __________________________ 43
Figure 26: Vue d'un souffleur d'air du gazéifieur ______________________________________________________________ 44
Figure 27: Position des souffleurs sur le gazéifieur _____________________________________________________________ 44
Figure 28: Schémas de câblage d'un souffleur pour essai de mesure ______________________________________________ 45
Figure 29 : Vue de la plateforme de test d'ébullition de l'eau ____________________________________________________ 46
Figure 30: Valeurs expérimentales de débits et puissances du souffleur d'air du brûleur ______________________________ 51
Figure 31: Courbes de variation de la puissance et du débit d’air d’un souffleur en fonction de la position d’ouverture _____ 51
Figure 32: Analyse immédiate de coques d'anacardes et des charbons issus des tests de gazéification ___________________ 53
Figure 33: Variations du PCI entre les coques et le charbon par test ______________________________________________ 54
Figure 34: Diagramme des puissances par test ________________________________________________________________ 55
Figure 35: Consommation de biomasse par test _______________________________________________________________ 57
Figure 36: Rendement massique par test_____________________________________________________________________ 57
Figure 37: Rendement thermique par test ____________________________________________________________________ 59
Figure 38: Consommation spécifique de biomasse par Kilowattheure produit ______________________________________ 59
Figure 39: Variation de la puissance utile en fonction de l'humidité de la biomasse __________________________________ 60
Figure 40: Variation de rendement thermique en fonction de l'humidité de la biomasse ______________________________ 60
Figure 41: Vue des goudrons condensés ______________________________________________________________________ 63
Figure 42: Aperçu des prototypes de gazéifieur _______________________________________________________________ 63
Figure 43: Aperçu de modification des conduites de circulation de gaz ____________________________________________ 65
Figure 45 : Vue des fuites de gaz lors du test __________________________________________________________________ 75
Figure 44 : Vue du brûleur à gaz lors du test__________________________________________________________________ 75
Figure 46 : Schémas de la conduite de gaz modifiée ____________________________________________________________ 75
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INTRODUCTION
1. Contexte et problématique
La filière anacarde est récente au Burkina Faso à l’instar d’autres pays de la sous-région comme
le Bénin et la Côte d’Ivoire. Les premières unités semi-industrielles ont fait leur apparition en
2001. Néanmoins, l’activité de transformation des anacardes existait déjà mais sous une forme
traditionnelle. Cette activité était pratiquée en majorité par les femmes pour qui la vente des
amandes d’anacardes constituait une source de revenus. Le manque d’organisation et de moyen
matériel limitait le marché des amandes à une échelle locale. Initié par les organisations non
gouvernementales (ONG) et associations, la création d’unités semi-industrielles de
transformation d’anacarde à contribuer à une meilleure structuration de la filière et à lui ouvrir
les portes du marché international. (1)
Cette filière qui intéresse désormais beaucoup d’entrepreneurs et d’associations villageoises se
présente comme un levier de développement car elle contribue à lutter contre la pauvreté dans
les zones rurales et semi-urbaines. Cette activité génère des sources de revenus, pour les
producteurs de noix d’anacardes et les ouvriers travaillants dans les unités semi industrielles.
La filière anacardes connait aujourd’hui quelques problèmes freinant le développement des
unités de transformation. L’un des principaux problèmes est associé à la production de l’énergie
nécessaire pour la transformation. La plupart des unités semi-industrielles utilise le bois et le gaz
naturel comme source d’énergie. Cependant, la déforestation et la hausse du prix des
hydrocarbures contraignent la filière anacarde à se tourner vers des solutions énergétiques
durables. Actuellement, les partenaires techniques et financiers de la filière anacarde comme le
RONGEAD1, l’INADES2 et la SNV3, initient des projets pilotes dont le but est d’intégrer un
management des énergies durables dans les unités semi-industrielles de transformation des noix
d’anacarde. La plupart de ces projets s’articulent autour de la valorisation énergétique des
coques d’anacarde.
Les coques d’anacardes sont des déchets issus de la transformation des noix d’anacardes qui
sont actuellement peu ou presque pas valorisés faute de moyen efficace dans les unités semi-
1 Réseau d'ONG Européenne pour l'Agriculture et le Développement 2 Institut Africain pour le Développement Économique et Social
3 Netherlands Development Organisation
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industrielles du Burkina Faso. Deux procédés de valorisations de coques d’anacardes sont
actuellement employés dans les autres pays ; il s’agit de l’extraction du baume de cajou destinée
à l’industrie chimique et l’utilisation des coques sous formes de combustibles. Le baume
d’acajou ou CNSL (cashew nut shell liquid) est employé dans l’industrie pour la fabrication
d’encre, de vernis de protection contre les insectes ou imperméabilisants, d'insecticides ou
encore d'éléments de friction de véhicules comme les freins et les embrayages. Ce secteur de
valorisation des coques d’anacardes est inexistant au Burkina Faso. Il n’existe encore aucune
unité de transformation disposant d’équipements permettant l’extraction du CNSL.
Les coques d’anacardes possèdent un fort potentiel énergétique qui pourrait être valorisé sous la
forme d’énergie thermique utilisable en substitution du bois et du gaz naturel dans le processus
de transformation des noix anacardes dans les unités semi-industrielles. Cependant, la
combustion directe des coques dans les chaudières utilisées couramment dans les unités de
transformation de noix d’anacarde, n’est pas la solution appropriée pour la valorisation des
coques. La combustion directe des coques d’anacardes dans ces chaudières donne des résultats
médiocres, due aux faibles rendements thermiques, aux fortes émissions de fumées ayant une
odeur forte, désagréable, chargées de goudrons et de suies et pouvant présenter des dangers
pour la santé humaine, et provoquer l’encrassement des chaudières et des cheminées [ (2), (3)].
C’est une difficulté rencontrée lorsque l’on brûle de la biomasse à forte teneur en matières
volatiles comme les coques d’anacarde. Cependant, cette propriété est loin d’être un handicap
pour la valorisation des coques d’anacardes dans la mesure où des systèmes appropriés de
conversion thermochimique sont développés et mis en œuvre. La gazéification est l’un de
procédé les plus approprié pour la valorisation de biomasses à forte teneur en matière volatiles
car elle offre généralement des performances énergétiques élevées et une bonne acceptabilité
environnementale. La gazéification des coques d’anacarde est aujourd’hui employée dans les
grands pays producteurs d’anacarde comme l’Inde. En revanche, les technologies de
gazéification sont quasi inexistantes dans les pays africains producteurs d’anacardes. Le
développement de technologies de gazéification des coques d’anacardes est motivé par les
avantages suivants :
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La réduction des coûts de transformation de l’anacarde pour les unités semi-industrielles
qui utilisent le bois et le gaz naturel pour leurs besoins énergétiques
La réduction d’émissions des fumées et d’odeur dues à l’utilisation de bois durant la
saison humide
La préservation des forêts d’où proviennent l’essentiel du bois utilisé pour la
transformation des anacardes.
L’intégration des concepts de développement durable dans les filières anacardes grâce à
la revalorisation des sous-produits de transformation.
La réduction des émissions de CO2 associées à l’utilisation de bois non renouvelable et de
gaz naturel, susceptible d’ouvrir la voie au marché des crédits carbones
La valorisation des coques d’anacardes fait actuellement l’objet d’un projet pilote qui consiste à
l’installation d’un gazéifieur à coque d’anacarde dans une des unités de transformation semi-
industrielle appartenant à l’association WOUOL. Cette unité est implantée à Dakoro, localité
rurale située dans la région des Cascades au Burkina Faso. Le gazéifieur une fois installé
produira l’énergie thermique nécessaire au processus de transformation des noix d’anacardes
(fragilisation et séchage). Ce nouveau système remplacera totalement le bois et le gaz naturel
actuellement utilisé dans l’unité. Ce projet mobilise un certain nombre de partenaires techniques
et financier, parmi lesquels figure la société ISOMET (Innovation en Solaire et Métallique).
ISOMET est spécialisé dans le domaine des énergies renouvelables, essentiellement dans le volet
de la conception et la réalisation des systèmes. Dans le cadre du projet, l’entreprise ISOMET est
chargée de la conception et de la réalisation du gazéifieur à coque d’anacarde. La présente étude
a fait l’objet d’une étroite collaboration entre la société ISOMET et le laboratoire Biomasse
Energie et Biocarburants (LBEB/CIRAD) pour la phase de caractérisation et d’optimisation du
gazéifieur.
2. Objectifs et méthodologie
La gazéification des coques d’anacardes requiert la conception d’un gazéifieur approprié. La
conception d’un tel gazéifieur nécessite une bonne connaissance des principes de la gazéification
et des différentes technologies de gazéifieurs existantes. A la lumière de ces connaissances et des
contraintes imposées par la nature de la biomasse telles que sa granulométrie et sa composition
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chimique, nous pourront alors aboutir à la réalisation d’un gazéifieur adapté à l’usage auquel il
est destiné.
L’objectif de ce travail de stage est d’étudier et d’optimiser la gazéification à l’échelle pilote de
coques d’anacardes pour la production de chaleur, directement utilisable dans les procédés de
transformations de noix d’anacardes des unités semi-industrielles. Pour ce faire, un gazéifieur à
coques d’anacardes a été conçu et fabriqué par l’entreprise ISOMET pour servir de prototype
d’essai afin de tester les performances de la conversion thermochimique des coques d’anacardes
en énergie thermique. Les résultats obtenus sur ce premier prototype serviront alors à
l’amélioration de la technologie et ensuite à son transfert permettant la commercialisation de
gazéifieurs performants qui équiperont les unités semi-industrielles de transformation de noix
d’anacardes dont celle de l’association WOOL et….
Pour mener à bien cette étude, la méthodologie que nous avons adoptée est la suivante :
La recherche bibliographique sur les différentes technologies de gazéification existantes
et les caractéristiques physico-chimiques des coques d’anacardes
L’utilisation des résultats de la recherche pour la modification d’un gazéifieur existant
afin de concevoir un prototype de gazéifieur adapté à l’utilisation des coques d’anacarde
La réalisation de tests de fonctionnement du prototype de gazéifieur modifié afin de
déterminer les performances, les paramètres de fonctionnement et la qualité du gaz
produit.
L’optimisation du prototype à partir des insuffisances identifiées lors des tests en termes
de performances et de fonctionnement
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1. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1. Données générales sur les coques d’anacardes
1.1.1. La noix d’anacarde
La noix de cajou ou anacarde est le fruit de l’anacardier (Anacardium occidentale), arbre
originaire du Brésil. L’anacardier est une plante qui a été domestique dans plusieurs régions du
monde notamment en Asie du sud et en Afrique tropicale humide. Cette plante est aujourd’hui
très importante car elle anime toute une filière industrielle basée sur la transformation de son
fruit. La noix de cajou contient une amande comestible constituant le principal produit valorisé
de l’anacardier. La noix d’anacarde se développe à l’extrémité d’un pédoncule juteux et
comestible appelé pomme de cajou. Elle est constituée par une amande formée de deux
cotylédons blancs et charnus, recouverts d’une pellicule de couleur rouge, appelée la testa,
l’ensemble étant enfermé dans une coque (Fig. 1).
Figure 1: Noix d'anacarde composée de l’amande, la pellicule et la coque.
1.1.2. Transformation de la noix
La transformation de la noix d’anacarde vise l’extraction et le conditionnement de l’amande
comestible. Cette transformation comporte plusieurs étapes. Le processus classique de
transformation comporte cinq étapes principales qui sont : la fragilisation de la noix, le
décorticage, le séchage, le dépelliculage et le conditionnement.
La fragilisation consiste à faire subir un choc thermique à la noix afin de facilité l’ouverture de la
noix. A cette étape, la noix d’anacarde subir un bain de vapeur dans une étuveuse. Après la
fragilisation, les noix sont d’abord décortiquées mécaniquement, puis l’on procède à
l’extraction des amandes. Les coques d’anacardes sont produites à cette étape de la
transformation. Les amandes extraites subissent l’étape de séchage dont le but est d’extraire
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l’humidité des amandes afin de prolonger leur durée de conservation. Un fois les amandes
séchées, on procède alors au dépelliculage. Le séchage facilite le décollement des pellicules
recouvrant les amandes. Après le dépelliculage, les amandes sont calibrées pesées et
conditionnées dans des sacs en plastiques sous vide avant leur commercialisation.
La transformation de l’anacarde consomme énormément d’énergie notamment aux étapes de
fragilisation et de séchage. D’après un audit que nous avons réalisé dans le cadre du projet sur
l’unité de transformation d’anacarde de Dakoro, la transformation d’un kilogramme de noix
d’anacarde nécessite environ 1,55 mégajoules d’énergie (4).
1.1.3. Composition Chimique de la coque d’anacarde
La coque d’anacarde est principalement composée de carbone (48,7%), d’oxygène (43,9%),
d’hydrogène (7%) et d’azote (0,4%). Elle présente également un faible taux de matières
minérales qui est évalué par le taux de cendres. Le tableau 1 ci-dessous récapitule la composition
élémentaire de la coque d’anacarde et de celle du bois à titre de comparaison.
Fraction massique par rapport à la
biomasse sèche(%)
Eléments Coque
d’anacarde Bois sec
Carbone 48,7 50,9
Hydrogène 7 6,1
Azote 0,4 0,4
Oxygène 43,9 42,6
Figure 2: Composition élémentaire de la coque d'anacarde (2)
La coque de la noix d’anacarde est formée de deux coquilles, l’une à l’extérieur de couleur verte
et fine, l’autre interne de couleur brune et dure. La coque d’anacarde un baume aussi connu sous
l’appellation de CNSL (Cashew Nut Shell Liquid).Ce baume contient essentiellement quatre
composants chimiques majeurs (5) qui sont :
1. Le 3-pentadecenyl phénol (Anacardol)
2. Le 5-pentadecenyl résorcinol (cardol)
3. L’acide 6-pentadecenyl salicylique (Acide anacardique)
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4. 2-methyl-5-pentadecenyl resorcinol (2-methyl cardol)
Les composés chimiques majeurs du baume sont des composés phénoliques.
Figure 3: Structure des principaux composés phénoliques caractéristiques du baume de la coque d'anacarde (5)
1.2. Principe de la gazéification
La gazéification est la conversion thermochimique d’un combustible solide (Biomasse) en gaz
combustible. Cette conversion se fait en présence d’un agent oxydant gazeux (air, O2, CO2, vapeur
d’eau ou un mélange de ces composés) contrairement à la pyrolyse qui se fait en l’absence de gaz
réactif. La gazéification diffère aussi de la combustion car l’apport en comburant est très limité et
n’atteint pas la quantité stœchiométrique.
Gazéification :
Le gaz obtenu par cette conversion thermochimique de matière est appelé gaz de synthèse ou
syngaz. C’est un mélange de gaz combustibles, riche en hydrogène et en monoxyde de carbone,
qui peut être exploité de plusieurs manières :
Alimentation des moteurs à combustion interne (tels que des moteurs ou des turbines à
gaz) et des piles à combustibles hautes températures, pour produire électricité et chaleur,
le gaz de synthèse dérivé du bois étant un excellent combustible pour les moteurs ;
Remplacement des combustibles classiques comme le Houille, le gaz naturel, etc. pour des
applications thermiques dans l’industrie.
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Synthèse de carburants ou autres produits chimiques d’intérêt par divers procédés
catalytiques de conversion du gaz de synthèse (par exemple, le procédé Fischer-Tropsch
qui permet de synthétiser des carburants de type diesel ou essence (6))
1.3. Chimie de la gazéification de la biomasse
La gazéification met en jeu un ensemble de processus thermochimiques complexes et fortement
couplées qui se produisent simultanément ou successivement en fonction de la technologie
utilisée et des conditions opératoires. Quel que soit le type de procédé, le processus de
gazéification de la biomasse peut se résumer, de manière simplifiée, en quatre étapes principales
: (i) le séchage de la biomasse, (ii) la pyrolyse de la biomasse sèche, appelée aussi
dévolatilisation, (iii) la combustion des gaz de pyrolyse et/ou du charbon et (iv) la réduction qui
regroupe la réaction de gazéification du charbon et les réactions de reformage des goudrons. Des
réactions secondaires de craquage thermique et des réactions équilibrées en phase gaz sont
également mises en jeu et jouent un rôle non négligeable dans la composition finale du gaz
produit. Le tableau 1 résume l’ensemble des réactions chimiques impliquées dans le procédé
global de gazéification avec leurs enthalpies de réaction.
N° Réaction Enthalpie de réaction
H0 (KJ/mol)
Combustion du charbon
R1 (combustion complète) -394
R2 ⁄ (combustion partielle) -111
Réaction de combustion des goudrons
R3 (oxydation complète) -
R4 (Oxydation partielle) -
Gazéification du charbon
R5 (Réaction de Boudouard) +173
R6 (Réaction de vapo-gazéification) +131
R7 (Hydrogazéification) -75
Réactions Homogènes
R8 (Oxydation du CO) -283
R9 (Oxydation de H2) -242
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R10 (Oxydation du méthane) -293
R11 (Réduction du gaz à l’eau ou water gas shift) -41
R12 (Méthanation) -206
Réaction de conversion des goudrons
R13 (vaporeformage) Très endothermique +
(200 à 300) R14 (Reformage de CO2)
R15 (Craquage thermique)
Tableau 1: Principales réaction chimique mises en jeu lors d’une gazéification de biomasse (7)
1.3.1. Le séchage
Au cours du séchage, la biomasse fraiche introduite dans le gazéifieur est dépourvue de l’eau
(eau libre et eau liée) qu’elle contient. Cette réaction se produit à une température inférieure à
200°C. L’eau évaporée se mélange aux gaz de pyrolyse et participe à la réaction de gazéification.
Le séchage de la biomasse a une influence importante sur les performances de la gazéification.
Cette réaction consomme de l’énergie, ce qui a pour conséquence de mobiliser une partie de
l’énergie de la biomasse pour cette étape. Il est alors important de sécher le plus possible la
biomasse avant de la gazéifier. L’humidité de la biomasse n’a pas la même influence sur la
gazéification selon la technologie utilisée.
1.3.2. La pyrolyse
Sous l’effet de la température (à partir de 230°C), la biomasse qui entre dans la zone de réaction
subit la pyrolyse et se décompose en matières volatiles complexes comportant des gaz
incondensables (CO2, CO, H2, CH4) et des vapeurs condensables (H2O, CnHmOp) et en résidu solide
(charbon).
1.3.3. La combustion
Au contact de l’oxygène, les matières volatiles issues de la pyrolyse brûlent, formant
exothermiquement des produits d’oxydation complète (CO2, H2O). On parle alors d’oxydation des
matières volatiles. Le charbon résultant de l’étape de pyrolyse peut également subir des
réactions exothermiques d’oxydation partielle ou de combustion complète. Toutes ces réactions
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de combustion sont exothermiques comme le montrent les enthalpies de réaction résumées dans
le tableau 1.
La biomasse est assimilable à un composé d’eau et de carbone dont la formule générique est :
La combustion de la biomasse peut être représentée par l’équation ci-après :
L’azote présente de cette équation représente la proportion d’azote contenue dans l’air de utilisé
pour la réaction. Il est inerte et ne participe pas à la combustion. La réaction de combustion
produit de l’énergie dont la valeur par unité de masse correspond au pouvoir calorifique
inférieur(PCI) de la biomasse. La réaction de combustion produit l’énergie nécessaire pour la
pyrolyse et la gazéification, ces deux réactions étant endothermiques.
1.3.4. La réduction
Les gaz issus de la phase de combustion, le CO2 et la vapeur H2O peuvent à leur tour réagir avec
le carbone du charbon résiduel pour donner lieu aux gaz combustibles CO et H2 (Tableau 1, R5 et
R6) C’est cette réaction hétérogène que l’on appelle la gazéification du charbon. Ces réactions
fortement endothermiques se produisent à hautes températures (T > 800°C) et nécessitent donc
un apport important d’énergie. Il convient de noter ici que le terme gazéification désigne aussi
bien le procédé global avec ses différentes étapes que la réaction hétérogène entre le carbone et
un gaz réactif tel que H2O ou CO2.
A ce stade interviennent les équilibres du gaz à l’air (Tableau 11, R8, oxydation du CO) et du gaz à
l’eau (Tableau 11, R11, réaction de Water Gas Shift), qui conditionnent le degré de conversion en
CO et H2, de sorte qu’il peut subsister dans le gaz produit des quantités appréciables de CO2 et de
H2O.
Durant la phase de réduction, des réactions de reformage des goudrons telles que le reformage à
la vapeur H2O (R13) ou au CO2 (R14) peuvent avoir lieu et donner lieu à la formation de CO et H2
additionnel. Le craquage thermique des goudrons (R15) est une réaction secondaire qui peut
également se produire dans des zones réactionnelles faiblement oxydante, pour donner du
carbone solide et du CH4. Toutes ces réactions peuvent être homogènes, hétérogènes et avoir
lieu à l’intérieur ou à l’extérieur d’une particule de combustible.
Les mécanismes régissant le procédé global de gazéification peuvent être résumés dans le
schéma ci-après (Fig. 3).
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Figure 4:Principe de gazéification de la biomasse (source: BTG ; http://www.btgworld.com)
Il existe différents agents gazéifiants dont les plus utilisés sont : l’oxygène, le dioxyde de carbone
l’eau, l’air. Il est possible aussi d’utiliser un mélange de plusieurs agents gazéifiants afin d’obtenir
du gaz avec des propriétés particulières. Par exemple, la gazéification à l’oxygène produit un gaz
dont le pouvoir calorifique est nettement supérieur à celui d’un gaz où l’agent gazéifiant est l’air.
Dans le cadre de notre étude, nous nous intéresseront à la gazéification à l’air.
En théorie, la gazéification à l’air doit s’opérer avec la quantité minimale d’oxygène nécessaire
pour la conversion de toute la biomasse en un mélange gazeux composé uniquement de
monoxyde de carbone (CO) et de dihydrogène (H2), selon la réaction chimique suivante :
En pratique, cela est impossible car les réactions endothermiques s’opérant durant le processus
de gazéification requièrent de l’énergie. Cette énergie est alors fournie par la combustion d’une
partie de la biomasse. Une quantité excédentaire d’air est alors requise afin de produire une
combustion dont l’énergie servira à alimenter les réactions de pyrolyse et de réductions.
L’équation globale de la réaction devient alors :
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Le ratio CO/CO2 (ou H2/H2O) est utilisé comme critère de qualité du gaz de synthèse. Environ
30% de la biomasse est brulé pour fournir l’énergie de gazéification du reste de la biomasse. La
quantité de d’oxygène nécessaire à la réaction dépend de l’efficacité du procédé. Le procédé peut
être optimisé en isolant le réacteur, en séchant bien la biomasse avant la gazéification ou en
préchauffant les réactifs (air, biomasse) (9).
1.4. Propriétés du gaz produit par gazéification
Le gaz issu de la gazéification de la biomasse utilisant l’air comme agent gazéifiant, contient
essentiellement les composés chimiques suivant : le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde de
carbone (CO2), le dihydrogène(H2), la vapeur d’eau(H2O), le méthane (CH4), l’azote (N2), les
composant gazeux carbonés (CnHm) et de goudrons. Le tableau 4 présente un exemple de
composition d’un gaz produit par la gazéification de bois à l’air. Les proportions de chacun de ces
composés chimiques dans le gaz varient en fonction de plusieurs paramètres. Ces paramètres
sont essentiellement :
La composition chimique de la biomasse
La nature et la proportion de l’agent gazéifiant
La température de gazéification
La technologie de gazéification
Le pouvoir calorifique du gaz varie aussi en fonction des paramètres précédemment cités. Il peut
être mesuré à l’aide d’un calorimètre ou estimé avec la formule suivante :
(9)
CO(%), H2(%), CH4(%) représente les proportions volumiques des composants du gaz de
synthèse. L’agent gazéifiant influe sur la valeur du PCI du gaz produit. L’utilisation de l’air
comme agent gazéifiant tend à faire baisser le PCI du gaz, du fait de la forte proportion d’azote
dans le gaz. Le PCI du gaz obtenue varie de 3 à 6MJ/Nm3 (9)
Dans cas où l’agent gazéifiant est de la vapeur d’eau, on peut obtenir un gaz à forte teneur en
hydrogène. Le PCI d’un tel gaz varie de 10 à 15 MJ/Nm3 (9)
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Composant Symbole Taux (%.vol)
Monoxyde de carbone CO 21,0%
Dioxyde de carbone CO2 9,7%
Hydrogène H2 14,5%
Eau H20 4,8%
méthane CH4 1,6%
Azote N2 48,4%
PCI = 4784,8 KJ/Nm3
Tableau 2: Exemple de composition chimique d’un gaz produit par gazéification à l’air de bois (10)
1.5. Influence du ratio d’équivalence sur la gazéification
Le ratio équivalence (en anglais Equivalence Ratio) se définie comme étant le rapport entre la
quantité réelle d’oxygène apportée à la gazéification et la quantité stœchiométrique d’oxygène
nécessaire pour la combustion complète du combustible. Pour exemple il faut environ 1,476 Kg
d’oxygène pour la combustion complète de 1 Kg de biomasse.
Le ratio d’équivalence joue un rôle déterminant dans les mécanismes de la gazéification. Il a une
influence sur les réactions chimiques durant le processus et au final détermine la composition
chimique du gaz. En général, on admet que la valeur optimale théorique du ratio d’équivalence
lors d’une gazéification à l’air est de 25%. Quand le ratio d’équivalence est inférieur à 25% la
réaction tend vers la pyrolyse, au-delà de 25% et jusqu’à la valeur de 100% la réaction est une
gazéification. Au-delà des 100%, nous assistons à une combustion (voir figure 3).
Les figures 4, 5 et 6 présentent respectivement l’influence du ratio d’équivalence sur la
température de la réaction, la composition chimique du gaz et le pouvoir calorifique du gaz et du
charbon. Comme le montrent ces figures, une augmentation de la valeur du ratio d’équivalence
entre 0% et 25% conduit aux conséquences suivantes :
Le taux de CO2 dans le gaz produit baisse significativement. Dans ces conditions ou le lit
de réaction est n’a pas encore atteint une température élevé, la réaction inverse de gaz à
l’eau est plus rapide d’où l’augmentation de taux de CO et la baisse du taux de CO2. (figure
4)
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La température du lit de réaction augmente lentement (voir Figure 3) favorisant les
réactions typiquement endothermiques telle la réaction de Boudouard et la réaction de
vapo-gazéification aussi bien que les réactions de méthanation. On note une
augmentation graduelle du taux H2 et de CH4
L’augmentation des taux de CO, H2 et CH4 implique aussi une augmentation du pouvoir
calorifique du gaz de synthèse.
La consommation du charbon est limitée et à la fin de la réaction, on remarque que le
charbon n’est pas totalement gazéifié (figure 6).
Lorsque la valeur du ratio d’équivalence dépasse 25%, nous observons des phénomènes
différents du cas précédent :
Les taux de CO, H2 et CH4 dans le gaz produit décroissent, tandis que le taux de CO2 croit
significativement. Cette tendance s’explique par le fait que l’excès d’air dans le lit de
réaction tend à favoriser l’oxydation du charbon et des goudrons.
La température du lit de réaction augmente rapidement, en raison de l’exothermicité des
réactions d’oxydation (voir figure 3)
La baisse des taux de CO, H2 et CH4 conduit aussi à une baisse du pouvoir calorifique du
gaz. (voir figure 4)
La gazéification consomme la quasi-totalité de charbon (voir figure 6)
Pour un réacteur à lit fixe, le ratio d’équivalence varie avec la consommation de biomasse. Afin
de maintenir le rapport d’équivalence à la valeur optimale de 0,25, il existe deux solutions :
Diminuer le débit d’air au fur de la consommation de biomasse dans le cas d’un réacteur
de type ‘’batch’’
Maintenir le niveau du lit de réaction constant durant la gazéification en alimentant
continuellement le réacteur en biomasse (cas d’un réacteur continu).
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Figure 5: température de la réaction en fonction du ratio d’équivalence (9)
Figure 7: composition du gaz fonction du ratio d’équivalence (9) Figure 6: Energie du charbon et du gaz en fonction ratio d’équivalence (9)
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1.6. Influence de la qualité de la biomasse sur les performances de la
gazéification
Le rendement d’un gazéifieur dépend d’un part de sa conception et des paramètres de
fonctionnement et d’autre part de la qualité de la biomasse utilisée pour son approvisionnement.
Les critères liés à la biomasse influençant la qualité de la gazéification sont essentiellement le
pouvoir calorifique de la biomasse et son taux d’humidité. Dans les figures 7, 8 et 9 ci-dessous,
nous pouvons voir l’influence des caractéristiques physicochimiques de la biomasse sur les
performances de la gazéification d’un point de vue énergétique
Figure 8: Evolution du flux d'énergie en fonction de la température de gazéification pour différentes compositions de biomasse (12)
Figure 9: Evolution du flux d'énergie pour différentes humidité du bois (12)
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Figure 10: Influence de l'humidité sur le pouvoir calorique du gaz de synthèse (12)
la figure 7 montre l’évolution du flux d’énergie du gaz en fonction de la température de
gazéification pour différentes compositions de bois qui correspondent à différents pouvoirs
calorifiques, en considérant ses trois principales macromolécules constitutives (cellulose,
hémicelluloses et lignine), . Dans la figure 8, nous pouvons observer l’évolution de l’énergie
interne du gaz en fonction de la température de gazéification pour différents taux d’humidité. La
figure 9présente l’évolution du pouvoir calorifique du gaz en fonction de l’humidité.
En observant les résultats que fournit la figure 7, on remarque que plus la biomasse introduite
possède un fort pouvoir calorifique, plus le gaz est énergétique (son flux d’énergie est alors plus
important). D’après les graphiques des figures 8 et9, on peut voir que plus le taux d’humidité
augmente moins le gaz produit est énergétique.
1.7. Les technologies de gazéification
Le choix d’un procédé de gazéification doit prendre en compte des critères comme la taille de
l’installation, le type de biomasse et l’usage auquel est destiné le gaz produit. En général, on
distingue deux grands groupes de procédés de gazéification : les procédés à lit fixe et les
procédés à lit fluidisés.
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1.7.1. Les procédés à lit fixe
Les procédés à lit fixe sont caractérisés par la formation d’un lit épais par le combustible. Dans
ces types de procédés, la mobilité du lit est réduite et est utilisé que dans un but d’évacuation des
résidus ou de restauration de la perméabilité du lit de combustible. Les gazéifieurs fonctionnant
selon ce principe sont de réacteurs fermé ou semi-fermés. Les réacteurs à lit fixe sont employés
essentiellement pour des installations de faibles puissances.
a. Les gazéifieurs à lit fixe contre-courant ou ‘’Updraft ’’
La figure 10 schématise le principe des gazéifieurs à lit fixe contre-courant. Ces gazéifieurs
produisent du gaz dont le flux va à contre sens du flux de matières solides. Dans cette
configuration, l’air rencontre d’abord les braises de charbon qu’il oxyde. Les gaz de combustion
ainsi formés (essentiellement du CO2 et de la vapeur d’eau) rencontrent éventuellement du
charbon suffisamment dévolatilisé servant de réducteur et former du CO et du H2 à haute
température (phase de réduction). En remontant, les gaz chauds provoquent la pyrolyse et le
séchage de la biomasse dont la fraction gazeuse est mélangée aux gaz de réduction.
Le gaz produit par ce type de gazéifieur est extrêmement riche en composés organiques
condensables (goudrons). En contrepartie, il est très faiblement chargé en particules. Il est alors
souhaitable de brûler ce gaz sans le refroidir pour éviter l’encrassement des équipements. Les
avantages principaux des gazéifieurs à contre-courant sont leur simplicité et la possibilité
d’utiliser de la biomasse très humide (humidité de 60%).
Par contre, la haute teneur en goudrons du gaz produit par ces gazéifieurs est un inconvénient.
En effet, le gaz ainsi produit ne peut pas être utilisé dans des moteurs ou turbines à gaz pour la
production d’électricité (problèmes d’encrassement et de corrosion des installations dues aux
goudrons). Cela limite l’utilisation des gazéifieurs à contre-courant à la production directe de
chaleur. (13)
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Figure 11: Principe d'un gazéifieur à lit fixe contre-courant (Updraft) (14)
b. Les gazéifieurs à lit fixe co-courant ou ‘’Downdraft’’
Les gazéifieurs à lit fixe co-courant ou ‘’downdraft’’ ont une configuration où l’air et les gaz
produits circulent dans le même sens que la charge de combustible. Le principe de ce réacteur
est schématisé à la figure 6. L’air entre en contact avec les produits gazeux de pyrolyse et les
brûle en formant une zone de flamme dont la haute température entretient la pyrolyse de la
biomasse fraiche qui descend au fur et à mesure qu’est consommé le charbon présent dans la
zone de réduction. La chaleur issue de la zone de combustion entretien aussi les réactions
endothermiques ultérieures de la zone de réduction. En dessous de la zone de pyrolyse, les gaz
de combustion entre en contact avec le carbone du charbon issu de la pyrolyse de la biomasse
qui les réduit en gaz combustibles. Les réactions d’oxydoréduction consomment le charbon qui
se transforme au fur et à mesure en cendres qui sont évacuées à travers une grille ou un sas. Cela
assure la descente du combustible dans le réacteur.
Les gaz produits par ce type de réacteur ne contiennent en principe que peu de goudrons, car
l’oxydation des gaz de pyrolyse y est prédominante. Par contre à la sortie du réacteur, le gaz est
assez chargé de particules fines de charbon non converti et de cendres (13).
C’est ce type de gazéifieur qui fait l’objet de notre étude. Nous reviendrons plus en détails sur ce
procédé de gazéification.
CHyOx
Pyrolyse
CHs
Oxydation
CHs
Réduction
CnHm CO H2 CO2 H2O
O2
C
CO2
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Figure 12: Principe d'un gazéifieur à lit fixe co-courant (14)
1.7.2. Les gazéifieurs étagés
Le principe des gazéifieurs étagés est assez proche du celui des gazéifieurs à co-courant,
contrairement à ce dernier, les deux étapes de pyrolyse et de gazéification sont réalisés dans des
réacteurs différents. Le premier réacteur est destiné à la pyrolyse de la biomasse fraichement
introduite. Le combustible y est séché puis pyrolysé à température contrôlée. Le charbon et les
gaz de pyrolyse alimentent un second réacteur. Dans ce second réacteur, les gaz de pyrolyse
subissent une oxydation où un apport en oxygène permet leur combustion. Les gaz chauds
obtenus réagissent avec le lit de charbon pour produire les gaz combustibles. Ce type de réacteur
a l’avantage de permettre une conduite indépendante des phases de pyrolyse et de gazéification.
Ce procédé permet de réduire considérablement le taux de goudrons dans le gaz produit à la fin
du procédé. En effet, les gaz issus de la pyrolyse dans le premier étage sont thermiquement
craqués et oxydés dans le second étage. (14)
CHyOx
Pyrolyse
CO2 H2O
Réduction
CnHm CO H2 CO2
H2O
Oxydation O2
CHs
CO H2
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Figure 13: Principe d'un gazéifieur étagé (source: http://xylowatt.com)
1.7.3. Les gazéifieurs à lits fluidisés
Dans un procédé à lit fluidisé, les particules sont en "suspension" dans le réacteur. Cela favorise
les échanges thermiques et massiques entre le gaz et le solide. Les conditions opératoires sont
bien maîtrisées et les vitesses de réaction beaucoup plus importantes que dans les procédés à lit
fixe. Cependant, la fluidisation n'est possible qu'avec des particules de petite taille (2 à 5 mm), ce
qui nécessite généralement un broyage préalable de la biomasse. D'autre part, le gaz produit est
fortement chargé en particules, exigeant la mise en œuvre de traitements avant sa valorisation.
Dans ce type de réacteur, les différents mécanismes de séchage, pyrolyse, oxydation homogène
et hétérogène ont lieu dans une seule et même zone du réacteur. (14)
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Figure 14: Principe de gazéifieurs en lit fluidisé dense (à gauche) et circulant (à droite) (14)
Il existe 3 types de réacteurs de réacteurs à lit fluidisés en fonction de la vitesse de fluidisation :
le lit fluidisé dense, le lit fluidisé circulant et le lit entrainé.
Les procédés à lit fluidisé dense (figure 13) ont une vitesse de fluidisation est relativement faible
(1-2 m/s). Cela permet le brassage des particules sans les entraîner hors du lit. L’exploitation de
procédé est complexe, en particulier au niveau du contrôle du niveau du lit lors des variations de
charge. Un bon calibrage de la taille des particules permet un fonctionnement optimal du
procédé.
Les procédés à lit fluidisé (figure 13) circulant ont vitesse de fluidisation est plus élevée (4-6
m/s), si bien qu'une partie des particules du lit est entraînée hors du réacteur. Un cyclone
permet de séparer la phase solide, pour la faire ensuite recirculer dans le lit. La phase solide est
donc continuellement en mouvement dans le réacteur.
La plupart des procédés développés actuellement à l'état de démonstration sont basés sur le
principe du lit fluidisé circulant.
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Les procédés à lit entrainé utilisent un combustible finement pulvérisé dans un jet d’oxygène. A
l’intérieur du réacteur, la gazéification a lieu au milieu d’un nuage de particules très fines. La
réaction s’opère dans à haute température et à haute pression, qui dans ces conditions donnent
des rendements élevés. En revanche, le rendement thermique est un peu inférieur car il est
nécessaire de refroidir le gaz de synthèse avant de l’utiliser. Pour pallier à ce problème, la
chaleur retirée du gaz est revalorisée grâce à un système de cogénération. Du fait des hautes
températures dans le réacteur, il n’y a pas de formation de goudron ou de méthane et cela a pour
effet de produire du gaz propre. Par contre, cet aspect avantageux propre au procédé entraine
une forte consommation en oxygène.
Les procédés de gazéification à lit fluidisé conviennent particulièrement aux unités de taille
industrielle. Par ailleurs, la préparation de la biomasse avant son introduction dans le réacteur
est particulièrement onéreuse.
1.7.3. Données comparatives sur les diverses technologie de gazéification.
Figure 15: Contraintes que doit respecter la biomasse pour les différents types de gazéificateurs (12)
Les données du tableau ci-dessus nous montrent que les procédés à lit fixe utilisent des
biomasses de granulométrie de n’importe quelle taille contrairement aux procédés à lit fluidisés.
Cela implique qu’en pratique la biomasse doit être broyée à l’avance avant d’être utilisée dans les
gazéifieurs à lit fluidisés. Par ailleurs, les procédés à co-courant et à lit entrainé ne tolèrent que
des biomasses à faible taux d’humidité (inférieur à 15%) tandis que les procédés à contre-
courant ou à lit fluidisés tolèrent les biomasses assez humides (entre 40 et 50%). Le tableau 15
résume les avantages et inconvénients des différents procédés de gazéification.
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Figure 16: Avantages et inconvénients des différents procédés pour la gazéification de la biomasse (15)
La figure 17 présente les gammes de puissances envisageables des installations de gazéification
en fonction de la technologie utilisée. Les gazéifieurs à lits fixe sont plus adaptés pour les
installations de faibles puissances (de quelque kilowatt à 10 mégawatt) tandis que les procédés à
lits fluidisés sont plus adaptés pour les installations de grandes puissances (au-delà de 10
mégawatt).
Figure 17: Puissance des installations envisageables (15)
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1.8. Les applications de la gazéification.
La gazéification présente un potentiel considérable pour la valorisation thermochimique de la
biomasse. Grâce au développement des énergies renouvelables, la gazéification a bénéficié d’une
importante évolution technologique due aux travaux de recherche des meilleures institutions
mondiales œuvrant dans le domaine des énergies renouvelables. Cette avancée technologique a
ouvert la voie à plusieurs applications pertinentes de la gazéification dans la production
d’énergie. Les usages les plus courants de la gazéification sont La production directe de chaleur
et la production d’électricité ou la cogénération
Une utilisation prospective mais très prometteuse de la gazéification de la biomasse est la
synthèse de carburants et de produits chimiques d’intérêts.
1.8.1. La production directe de chaleur.
La gazéification est le plus souvent utilisée pour la production de chaleur grâce à la combustion
directe du gaz produit dans un foyer ou une chaudière. La chaleur produite par le gazéifieur sert
pour les chauffages domestiques ou collectifs, la transformation agroalimentaire (séchage,
cuisson), les transformations industrielles qui requièrent la chaleur. Les figures 18 et 19
illustrent bien le principe de l’application thermique de la biomasse.
Figure 18: Application thermique de la gazéification (16)
Les rendements obtenus par la production directe de chaleur sont les meilleurs obtenus dans ce
procédé et varient souvent entre 70% et 95%. Cela peut s’expliquer par le fait qu’il n’est pas
nécessaire de refroidir le gaz ou de condenser les goudrons avant utilisation. Les technologies
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dans le domaine de la production de chaleur sont conceptuellement simples, facile à optimiser,
conviennent à la plupart des biomasses et sont parfaitement maitrisées. En plus, l’investissement
pour la réalisation de gazéifieurs à production directe de chaleur est relativement abordable. On
trouve également ces gazéifieurs à différents échelles selon les besoins de l’application. La
puissance thermique de ces gazéifieurs varie souvent entre quelques kilowatts à plusieurs
mégawatts.
Figure 19: Gazéifieur à application thermique. (16)
1.8.2. La production d’électricité
L’utilisation de la gazéification dans la production d’électricité est plus récente que la production
directe de chaleur. Cette technologie est toujours en pleine évolution, même si elle est assez bien
maitrisée.
Le principe de la production d’électricité à l’aide d’un gazéifieur consiste à convertir de la
biomasse en gaz dans un réacteur approprié puis introduire ce gaz dans un moteur à combustion
interne tel qu’un moteur ou une turbine à gaz, couplé à un alternateur. Ce dernier composant se
charge de convertir l’énergie contenue dans le gaz en électricité. Une pile à combustible haute
température (de type SOFC ou MCFC par exemple) peut également être utilisée à la place d’un
moteur à combustion interne, mais cette option technologique est encore au stade de
recherche/développement.
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L’utilisation du gaz de synthèse pour la production d’électricité présente une contrainte majeure
étant la cause de beaucoup d’échec. Il s’agit de l’épuration du gaz produit par la gazéification
avant son utilisation sur les machines produisant l’électricité.
L’objectif de l’épuration du gaz est de réduire la teneur en goudrons et en poussières pour
atteindre un teneur de moins de 10 mg/m3 de gaz pour l’utilisation dans un moteur à
combustion interne.
Pour atteindre cet objectif, les moyens suivants peuvent être employés:
L’utilisation d’un séparateur de particules ou cyclone pour l’élimination des poussières
dans le gaz juste à la sortie du réacteur.
Le refroidissement du gaz se fait généralement à l’intérieur d’échangeurs de chaleur
utilisant l’eau comme liquide de refroidissement. Le refroidissement du gaz entraine la
condensation d’une part importante des goudrons et de la vapeur d’eau.
L’élimination catalytique à haute température des goudrons dans un réacteur secondaire
placé en aval du gazéifieur.
La gamme de puissance des groupes électrogènes fonctionnant au gaz de synthèse s’étend de 3 à
500 KWe. Au-delà de 500 KWe, l’usage d’une turbine à gaz est préconisé, car ainsi on obtient de
meilleurs rendements. Les rendements de conversion se situent entre 15 et 26% en production
d’électricité contre 35 à 50% pour l’usage thermique directe. Les puissances produites sont de
l’ordre de 1 à 1,3 KWh électrique par kilogramme de bois contre 1,7 à 2,5 KWh thermique par
kilogramme de bois.
De plus en plus, les constructeurs de gazéifieurs produisant de l’électricité ont intégré le concept
de la cogénération électricité/chaleur dans leurs modèles les plus récents. Le concept de
cogénération à partir de la gazéification de la biomasse est représenté sur la figure 20.
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Figure 20: Schémas d'une centrale de gazéification à cogénération (16)
Grâce à ce concept, le rendement énergétique des gazéifieurs a été amélioré. La chaleur est
récupérée durant les opérations de traitement de gaz et au niveau des moteurs thermiques grâce
à des échangeurs de chaleur. Cette chaleur est généralement transmise à l’eau et est utilisé pour
le chauffage.
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2. TESTS DE PERFORMANCES, CARACTERISATION DU GAZEIFIER A COQUES
D’ANACARDES
2.1. Matériels et méthodes La détermination des performances du prototype de gazéifieur à coque d’anacarde est une étape très
importante du projet. Cette étape du projet permet d’obtenir des données importantes sur le
fonctionnement du gazéifieur afin de juger de sa capacité à atteindre les objectifs fonctionnels fixé lors de
la phase de conception. A partir des données obtenues, il sera alors possible de valider le produit ou
d’envisager des optimisations afin d’améliorer ses performances.
2.1.1. Description et principe de fonctionnement du gazéifieur à coques d’anacardes
Le gazéifieur à coque d’anacarde sur lequel porte notre étude est basée sur un gazéifieur à balle
de riz conçu par le Center for Rice Husk Energy Technology (CRHET4). Le modèle de ce gazéifieur
représenté sur la figure 21 est le CFRHG5 40D. Le diamètre de la chambre de réaction est de 40
centimètres. Ce modèle de gazéifieur est à lit fixe et à fonctionnement co-courant (downdraft).
La biomasse est introduite dans le réacteur par le haut et est gazéifiée au bas du réacteur. L’air
nécessaire au processus de conversion est également introduit dans la partie supérieure du
réacteur, d’où il traverse tout le lit de biomasse en phase de séchage ou de pyrolyse jusqu’à la
zone de combustion. Au fur et à mesure de la gazéification, les cendres sont évacuées à la base du
réacteur. Le gaz produit à l’intérieur de la chambre de combustion est canalisé vers le bruleur
après être passé par un séparateur de particules. Le gazéifieur possède des souffleurs d’air dont
l’un assure l’alimentation de la réaction en air et l’autre alimente le brûleur en air afin
d’améliorer la combustion du gaz produit.
4 www.crhet.com
5 Continuous Flow Rice Husk Gasifier
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Figure 21: Schéma de principe et vue isométrique du CFRHG 40D (17)
Le gazéifieur à coque d’anacarde a été conçu suite à un certain nombre de problèmes identifiés
lors de l’utilisation du modèle CFRHG 40D pour gazéifier les coques d’anacarde. Les problèmes
de fonctionnement identifiés lors de la gazéification des coques d’anacarde avec le CFRHG 40D
sont :
Les fuites de fumées constatées au niveau du compartiment de chargement et à l’orifice
de décharge des charbons. Cela s’explique par le fait que la granulométrie des coques
d’anacarde ne permet pas une densification des lits de biomasse et de charbon. Cette
densification permet d’éviter les fuites de gaz lors de la gazéification de la balle de riz.
La décharge des charbons en fin de la gazéification est difficile car la taille des charbons
rend leur passage difficile dans l’orifice de décharge.
A la fin de la consommation de la biomasse dans le réacteur, les gaz très chauds
remontent dans le compartiment de chargement de biomasse et enflamment la coque
d’anacarde.
Le bruleur horizontal du CFRHG 40D n’est pas adapté à l’utilisation dans une chaudière.
Le premier prototype du gazéifieur à coques d’anacarde a été conçu afin de pallier aux
défaillances de fonctionnement citées ci-dessus.
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Le prototype de gazéifieur à coque d’anacarde qui fait l’objet de la présente étude est représenté
sur la figure 22. Il peut être divisé en trois parties fonctionnelles :
Le réacteur
La chambre de gazéification
Les conduites de circulation de gaz et d’air chaud
Figure 22: Schéma du gazéifieur à coques d’anacarde
a. Le réacteur
Le réacteur du gazéifieur à coques d’anacardes représenter à la figure 23 comporte le
compartiment de chargement de la biomasse et la chambre de réaction. Ces deux compartiments
communiquent à l’aide d’un sas l’alimentation.
Le compartiment de chargement de biomasse est un cylindre d’un diamètre de 50 cm et
d’une hauteur d’environ 30 cm terminé par un cône. Ce compartiment est situé au-dessus
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du sas d’alimentation. Elle reçoit la biomasse en attente d’être introduite dans la chambre
de réaction.
Le sas d’alimentation. Permette d’introduire la biomasse contenue dans le compartiment
de chargement. Une plaque métallique se déplaçant dans une glissière permet l’ouverture
d’un orifice à travers lequel la biomasse tombe par gravité dans la chambre de réaction.
Le sas est fermé durant le fonctionnement du gazéifieur. Elle est ouverte pour
l’alimentation de biomasse ou pour les travaux de maintenance du gazéifieur.
La chambre de réaction est construite à l’aide de deux cylindres coaxiaux de diamètres
différents. Le cylindre intérieur à un diamètre de 40 cm et une hauteur 120 cm. Le
cylindre extérieur à elle un diamètre de 50 cm pour une hauteur de 100 cm. Le séchage,
la pyrolyse et la combustion ont lieu à l’intérieur du cylindre intérieur. L’espace de 5 cm
entre les deux cylindres jour le rôle d’isolant et de passage pour l’air introduite dans le
réacteur pour la gazéification. Lors du fonctionnent l’air circulant dans cette espace se
préchauffe au contact avec la paroi du cylindre intérieur en contact avec la zone de
combustion. Cet air préchauffé contribue au séchage de la biomasse. Le diamètre du
cylindre intérieur à une influence directe sur la puissance du gazéifieur ; celle-ci
augmente avec le diamètre.
Figure 23: Schémas du réacteur du gazéifieur à coque d'anacarde
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b. La chambre de gazéification.
La chambre de gazéification est le compartiment du gazéifieur où s’opère la réaction de
réduction des gaz de combustion ou gazéification du charbon. Elle contient le charbon résiduel
issu de la combustion de la biomasse dans la chambre de combustion. Les gaz de combustion y
traversent le lit de charbon où elles sont réduites en monoxyde carbone et en hydrogène,
composants essentiel du gaz de synthèse. La chambre de gazéification, représenté dans la figure
24, comporte une partie cylindrique en dessous de laquelle est placée une partie conique. La
partie conique se termine par un double sas destiné à décharger les cendres et le charbon à la fin
du processus. Le cylindre intérieur du réacteur communique directement avec la chambre de
gazéification ; en effet elle descend de 15 cm à l’intérieur du cylindre. La partie cylindrique de la
chambre de gazéification est réalisée à l’aide de deux cylindres coaxiaux, l’un de 50 cm de
diamètre et l’autre de 60 cm; la hauteur de la partie cylindrique est d’environ 38 cm. Le cylindre
intérieur contient le lit de charbon où se produit le gaz combustible qui remonte à travers
l’espace entre les cylindres intérieurs du réacteur et de la chambre de gazéification pour
rejoindre les conduites de gaz. Comme dans le cas du réacteur, il existe un espace d’environ 5 cm
entre les cylindres intérieur et extérieur de la chambre de gazéification. De l’air est soufflé dans
cette parois où il se préchauffe avant de rejoindre le brûleur où il s’additionne avec le gaz
combustible afin d’en améliorer la combustion. La chambre de gazéification possède 3 orifices
destinés à l’amorçage de la combustion lors du démarrage de la gazéification.
Le cône de la chambre de gazéification contient un lit de cendre ou de charbon jouant le rôle de
zone morte c’est-à-dire qu’elle ne participe pas à la réaction. Cette zone est progressivement
remplacée par les cendres et les charbons résiduels issus du lit de réduction. La partie conique
de la chambre de réaction se termine par deux sas de décharge des résidus de gazéification. Ce
système de double sas permet de décharger les résidus de gazéification en cours de processus
tout en évitant les fuites de gaz durant l’opération.
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Figure 24: Schéma de la chambre de gazéification
c. Les conduites de circulation de gaz et d’air chaud
Le gaz combustible produit dans la chambre de gazéification chemine à l’intérieur de conduites
en acier de 75 centimètres de diamètre jusqu’au brûleur. A la sortie de la chambre de
gazéification, le gaz est chargé de particules de charbon et d’aérosols susceptibles de se déposer
dans les conduites et de les encrasser au fur et à mesure de l’utilisation du gazéifieur ce qui
risquerait de réduire les performances du système. Un séparateur de particules a été installé à la
sortie de la chambre de gazéification afin de réduire la quantité de particules de charbon et
d‘aérosols contenues dans le gaz. Le séparateur de particules est muni de deux bouchons
permettant de recueillir les particules et les aérosols et d’accéder aux tubes pour le nettoyage
périodique.
Outre les tubes de circulation du gaz, le gazéifieur possède un circuit qui convoi l’air préchauffé
dans la double enveloppe de la chambre de gazéification vers le brûleur pour y être mélanger
avec le gaz combustible produit.
Le gazéifieur possède aussi un système de sécurité dont le rôle est de réguler la pression du gaz à
l’intérieur de la chambre de gazéification. En cas d’obturation des tubes de circulation du gaz,
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celui-ci est acheminé vers des tuyaux plongés dans un récipient d’eau pour y être refroidi. Cela
empêche le gaz chaud et chargé de goudrons et de monoxyde de carbone de s’échapper du
gazéifieur au risque de nuire à la santé des opérateurs.
Les tubes sont assemblés à l’aide de brides afin d’en faciliter le démontage et le nettoyage.
La figure 25 représente l’ensemble des conduites formant les circuits de circulation du gaz et
d’air chaud
Figure 25: Conduites de circulation de gaz et d’air chaud du gazéifieur à coque d’anacarde
d. Les souffleurs d’air (Centrifugal Blower).
La gazéification nécessite un apport en air dont le débit et la pression peuvent influencer les
mécanismes réactionnels conduisant à la production du gaz combustible et donc les
performances du gazéifieur. Pour assurer l’alimentation du gazéifieur en air, il a été installé un
souffleur d’air centrifuge représenté sur la figure 27. L’air est soufflé à l’intérieur de la double
paroi du réacteur où il se préchauffe avant d’être injecté dans le cylindre intérieur du réacteur
contenant la biomasse. Par ailleurs, un autre souffleur d’air identique au précédent est installé
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sur le gazéifieur dans le but de souffler de l’air à l’intérieur de la double paroi de la chambre de
gazéification (figure 26 et 27). Cet air transite ensuite à l’intérieur de la conduite d’air chaud
jusqu’au brûleur.
Les souffleurs d’air du gazéifieur fonctionnent grâce à un moteur électrique monophasé de 230
Volts. L’admission d’air des souffleurs est réglable grâce à des opercules dont la position
correspond à un débit d’air.
Figure 26: Vue d'un souffleur d'air du gazéifieur
Figure 27: Position des souffleurs sur le gazéifieur
Souffleur d’air gazéifieur
Souffleur d’air brûleur
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2.1.2. Méthodologie de caractérisation des souffleurs d’air
Le débit d’air soufflé dans le réacteur est un facteur important pour les performances du
gazéifieur. Il est alors important de pouvoir quantifier le débit d’air produit par les souffleurs
afin de pouvoir déterminer le débit d’air optimal nécessaire pour la gazéification. Les souffleurs
utilisés sur le gazéifieur ont un débit d’air variable en fonction de l’ouverture de l’opercule
d’admission d’air.
La caractérisation des souffleurs à consister à déterminer le débit d’air soufflé et la puissance
électrique consommée par chaque souffleur en fonction de l’ouverture de l’opercule d’admission.
Ce test a été réalisé pour les deux souffleurs fonctionnant sur le gazéifieur, au laboratoire LESEE
avec la collaboration de M. Henri Kottin.
Les mesures effectuées lors du test de caractérisation des souffleurs nous permettent de calculer
les paramètres suivants :
Le débit volumique du souffleur
(
)
Avec d = diamètre de la sortie d’air du souffleur (d = 0,0635 m)
V = Vitesse mesurée à l’anémomètre
La puissance électrique consommée par le souffleur
I= intensité efficace du courant mesurée par l’ampèremètre
Courant alternatif
A
Shunt
Ampèremètre
Souffleur
Anémomètre
Figure 28: Schémas de câblage d'un souffleur pour essai de mesure
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2.1.3. Méthodologie du Test d’ébullition de l’eau
Le test d’ébullition de l’eau a pour but d’estimer la puissance thermique utile produite par le
gazéifieur. Ce test consiste à placer un récipient préalablement rempli d’une quantité connue
d’eau au-dessus du bruleur du gazéifieur. On mesure le temps que met l’eau à atteindre la
température d’ébullition. Après cela on laisse bouillir l’eau durant un certain temps, après quoi
on pèse la quantité d’eau restante afin de déterminer la masse d’eau évaporé durant le test. La
différence de masse permet d’estimer l’énergie transmise à l’eau.
Pour le test d’ébullition de l’eau nous avons utilisé un foyer à huile végétal modifier et adapter au
brûleur du gazéifieur que nous désignons ici sous l’appellation de plateforme WTB6. (Figure 29)
Figure 29 : Vue de la plateforme de test d'ébullition de l'eau
6 Water Boiling Test
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Le test d’ébullition de l’eau permet d’obtenir les valeurs suivantes :
La durée d’ébullition Te correspondant au temps écoulé entre le début du test et le
moment du début de l’ébullition de l’eau. Cette durée est exprimée en minute.
La durée de mijotage Tm fixée pour la phase de vaporisation de l’eau. Cette durée est
exprimée en minute
la quantité d’énergie noté Qe transmise à une masse d’eau pour élever sa température
d’une valeur initiale jusqu’à la température d’ébullition de l’eau.
la quantité d’énergie notée Qv à fournir pour évaporer une masse d’eau portée à
ébullition.
la puissance utile Pu qui est la puissance totale transmise à l’eau durant le test
d’ébullition.
2.1.4. Méthodologie de caractérisation de la biomasse.
Les différentes caractérisations des échantillons de biomasse (coques d’anacardes-charbon de
coque) ont été effectuées par chaque test de gazéification.
Les méthodologies suivantes ont été utilisées:
Types d’analyse Echantillons Référence (norme) Lieu d’analyse
Analyse immédiate Coques et charbon de
coques
AFNOR XP CEN/TS
14774-3 ;
XP CEN/TS 15148 ;
XP CEN/TS 14775 LBEB
Pouvoir calorifique Coques et charbon de
coques
PA-TH- LBEB NF M 03-
005
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2.1.5. Méthodologie de caractérisation du gazéifieur à coque d’anacarde
La caractérisation du gazéifieur consiste à déterminer l’évolution d’un certain nombre de
paramètres propres au gazéifieur durant son fonctionnement. La détermination de ces
paramètres permet de comprendre leur influence sur les mécanismes qui entrent en jeu durant
le processus de la gazéification. Il sera possible alors d’optimiser le fonctionnement du gazéifieur
en agissant sur un certain nombre de ces paramètres afin d’influencer les mécanismes de la
réaction.
Nous avons pu réaliser quatre tests sur le gazéifieur à coques d’anacardes. En plus d’évaluer les
performances du gazéifieur à travers les tests d’ébullition de l’eau, le but de ces tests a été aussi
de collecter des données sur les paramètres de fonctionnement du gazéifieur afin de mieux le
caractériser. Les paramètres de fonctionnement qui ont été observés durant les tests sont les
suivants :
La durée de démarrage de la gazéification
La durée de démarrage de la gazéification est le temps écoulé entre l’amorçage du gazéifieur et le
moment où le gaz produite s’enflamme spontanément. (18)
La durée de la gazéification
Il s’agit du temps écoulé entre l’amorçage de la gazéification et le moment où le gaz produit n’est
plus inflammable. Ce dernier instant est marqué l’extinction de la flamme du brûleur. (18)
La consommation de biomasse.
Il s’agit de la masse de biomasse consommé par unité de temps. Elle peut être obtenue en faisant
le rapport de la masse de biomasse introduite dans le réacteur par la durée de la gazéification.
(18)
Avec : C= consommation de biomasse (kg/min)
M biomasse = masse de biomasse introduite dans le réacteur (kg)
DG = durée de la gazéification (min)
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L’énergie de la biomasse
Il s’agit de la quantité d’énergie contenue dans la biomasse introduite dans le gazéifieur. Pour
obtenir sa valeur, la masse de coque chargée dans le réacteur est multiplié par le pouvoir
calorifique inférieur des coques. (18)
L’énergie du charbon
Il s’agit de la quantité d’énergie contenue dans le charbon retiré du gazéifieur à la fin de la
gazéification. Pour obtenir sa valeur, la masse de charbon retiré à la fin de la réaction est
multiplié par le pouvoir calorifique inférieur du charbon. (18)
L’énergie nette de gazéification.
Il s’agit de la quantité d’énergie mobilisée durant la gazéification. Elle est obtenue par différence
entre l’énergie de la biomasse et l’énergie du charbon. (18)
La puissance nette de gazéification
Cette puissance est obtenue en faisant le rapport de l’énergie nette de gazéification par la durée
de gazéification.
Le rendement massique
Le rendement massique représente la fraction massique du charbon obtenue à la fin de la
gazéification. La fraction massique est obtenue en divisant la masse de charbon par la masse
anhydre de biomasse introduite dans le gazéifieur.
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⁄
Avec
R= rendement massique (%)
Mchar= masse de charbon (kg)
Mbiomasse= masse de biomasse (kg)
Th = taux d’humidité de la biomasse (%)
Le rendement thermique
Le rendement thermique du gazéifieur est l’un des paramètres de performance les plus
importants. Il représente la fraction de l’énergie de la biomasse convertie en énergie utilisable
durant la gazéification. Le rendement thermique du gazéifieur est obtenu en divisant la
puissance utile de test d’ébullition de l’eau par la puissance nette de gazéification.
La consommation spécifique en biomasse du gazéifieur
La consommation spécifique peut être définie comme la quantité de biomasse consommée pour
produire un kilowattheure d’énergie thermique. On l’obtient en divisant la consommation
horaire de biomasse du gazéifieur par la puissance utile produite. (18)
2.2. Résultats et discussions
Dans cette partie, nous présenterons l’ensemble des résultats que nous avons obtenus tout au
long de l’étude du gazéifieur à coque d’anacarde ainsi que leur analyse.
2.2.1. Caractérisation des souffleurs
Les tableaux 5 et 6 présentes la valeur de débits d’air et de puissance électrique obtenus à partir
des mesures effectuer lors des tests de caractérisation.
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Position Vitesse
(m/s)
Intensité
(A)
Débit
m3/s)
Puissance
(W)
Débit
(m3/h)
0 7,7 0,956 0,02 219,88 87,79
1 11,4 0,947 0,04 217,81 129,97
2 14,5 0,949 0,05 218,27 165,31
3 16,3 0,958 0,05 220,34 185,83
4 17,3 0,958 0,05 220,34 197,24
5 18,04 0,958 0,06 220,34 205,67
Tableau 3: Valeurs expérimentales de débits et puissances du souffleur du gazéifieur
Position Vitesse (m/s)
Intensité(A) Débit (m3/s)
Puissance (W)
Débit (m3/h)
0 7,2 0,927 0,02 213,21 82,09
1 11,1 0,931 0,04 214,13 126,55
2 14,3 0,932 0,05 214,36 163,03
3 16,3 0,937 0,05 215,51 185,83
4 17,06 0,935 0,05 215,05 194,50
5 17,7 0,932 0,06 214,36 201,80
Figure 30: Valeurs expérimentales de débits et puissances du souffleur d'air du brûleur
Figure 31: Courbes de variation de la puissance et du débit d’air d’un souffleur en fonction de la position d’ouverture
Le débit d’air du souffleur d’air varie entre la valeur minimale de 87,8 m3/h à 205,7 m3/h pour le
souffleur d’air gazéifieur et de 82,1 m3/h à 201,8 m3/h pour le souffleur d’air brûleur. L’écart
moyen entre les débits d’air des deux souffleurs est d’environ 3 m3/h à position identique.
0
50
100
150
200
250
0 1 2 3 4 5 6
Positions d'ouverture du souffleur
Puissance (W)
Débit (m3/h)
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La puissance consommée par le souffleur presque constant suivant les débits d’air. La puissance
maximale consommée est de 220,34 W pour le souffleur d’air gazéifieur et 215,5 W pour le
souffleur d’air brûleur.
2.2.2. Résultats d’analyses immédiates
L’analyse immédiate de la biomasse est très importante dans l’étude des performances du
gazéifieur. Elle permet de comprendre les mécanismes ayant lieu lors de la gazéification
d’obtenir des critères de comparaisons entre différents tests. Nous avons procédés au
prélèvement des coques et des charbons pour chaque test de gazéification réalisé Ces analyses
ont été réalisées au Laboratoire Biomasse Energie et Biocarburant du 2iE. Ces analyses nous ont
permis d’obtenir les valeurs regroupées dans le tableau 5 ci-dessous. :
Biomasse
Taux
d’humidité
Taux de
matière volatile
Taux de
carbone Fixe
Taux de
cendres
Test 1 Coques 8,29% 87,82% 1,74% 2,15%
Charbon 4,66% 17,95% 68,38% 9,01%
Test 2 Coques 7,91% 87,61% 2,47% 2,00%
Charbon 4,78% 21,03% 66,34% 7,85%
Test 3 Coques 6,74% 89,33% 2,79% 1,13%
Charbon 4,15% 12,86% 68,71% 14,29%
Test 4 Coques 5,82% 88,99% 3,90% 1,28%
Charbon 4,74% 16,04% 68,45% 10,77%
Tableau 4: Analyse immédiate de coques d'anacardes et charbons
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Figure 32: Analyse immédiate de coques d'anacardes et des charbons issus des tests de gazéification
L’analyse des échantillons nous révèle un forte teneur en matière volatile dans les coques
d’anacardes. Le taux de matière volatiles avoisine la valeur de 90% de la masse des coques. En
revanche les taux de carbone fixe et de cendre sont très faibles. Le procédé de gazéification à co-
courant convient alors très bien pour les coques d’anacardes, puisque ce procédé, la combustion
des matières volatiles dégagées lors de la pyrolyse apporte l’énergie nécessaire à la phase de
réduction. Les charbons obtenus après la gazéification des coques ont des taux de matières
volatiles très faibles comparativement aux coques. En revanche, nous constatons une hausse
importante du taux de carbone fixe dans les charbons résiduels. Les coques sont fortement
dévolatilisés durant la gazéification.
2.2.3. Le pouvoir calorifique
Les valeurs de PCI et PCS des coques et des charbons issus des tests de gazéification sont
regroupées dans le tableau 6.
PCS PCI Taux de
variation du PCI Coques Charbon Coques Charbon
Test 1 23 657,65 28 797,99 21 878,56 27 110,17 19,30%
Test 2 23 038,49 29 795,74 21 268,90 28 104,81 24,32%
Test 3 23 060,32 27 609,05 21 320,14 25 934,03 17,79%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Taux de cendres
Taux de carbone Fixe
Taux de matière volatile
Taux d’humidité
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Test 4 23 692,12 26 484,07 21 975,05 24 794,19 11,37%
Tableau 5: Valeur de pouvoirs calorifiques des échantillons par test
Figure 33: Variations du PCI entre les coques et le charbon par test
Les résultats d’analyse révèlent une valeur de PCI d’environ 23000 KJ/Kg pour les coques. Cette
valeur varie très peu d’un test à l’autre. En revanche, les valeurs de PCI des charbons obtenues
présentent des variations assez importantes d’un test à l’autre. Ces valeurs varient entre
24 794,2 KJ/Kg et 28 104,8 KJ/Kg. les taux de variation des PCI de charbon par rapport ceux des
coques sont de l’ordre de 24,32% à 11,37% suivant les tests.
2.2.4. Résultats de tests d’ébullition de l’eau
Test 1 Test 2 Test 3 Test 4
Pot 1 Pot 2 Pot 1 Pot 2
Masse d'eau initiale (Kg) 33,2 71,36 42,36 33,38 38,8 30,7
Masse d'eau Restante(Kg) 22,4 35,06 20,46 11,54 13,08 18,36
Température initiale (°C) 34,5 33,2 34,5 31,4 29,9 28,7
Température d’ébullition (°C) 99,6 99,2 99,7 99,8 99,2 99,9
Temps d'ébullition (min) 20 11 7 8 6 10
Temps mijotage (min) 30 81 30 30 30 30
Chaleur sensible(KJ) 9046,20 19712,70 11559,82 9556,30 11254,14 9148,83
Chaleur latente(KJ) 24409,84 82044,17 49497,72 49362,11 58131,57 27890,50
Puissance(KW) 11,15 18,43 27,50 25,84 32,12 15,43
Tableau 6: Résultats de test d'ébullition d'eau du gazéifieur
-
5 000,00
10 000,00
15 000,00
20 000,00
25 000,00
30 000,00
Test 1 Test 2 Test 3 Test 4
PCI Coques
PCI Charbon
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Figure 34: Diagramme des puissances par test
Les tests d’ébullition d’eau ont pour but l’estimation de la puissance thermique du gazéifieur. La
puissance utile produite par le gazéifieur varie entre 11,15 KW et 32,12 KW. Ces résultats nous
révèlent des variations de la puissance du gazéifieur suivant les tests. Ce variation de puissance
peuvent trouver leur origine dans diverses que nous identifierons dans le paragraphe
d’interprétation des paramètres de performances du gazéifieur.
2.2.5. Résultats des tests de gazéification
Le gazéifieur à coques d’anacardes a été soumis à des tests au laboratoire de biomasse énergie et
biocarburant afin d’évaluer ses performances. Les paramètres de fonctionnement du gazéifieur
recensé durant les tests sont récapitulés dans le tableau 7 ci-dessus.
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
Pot 1 Pot 2 Pot 1 Pot 2
Test 1 Test 2 Test 3 Test 4
Puissance(KW)
Puissance(KW)
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Test 1 Test 2 Test 3 Test 4
Masse de coque (Kg) 34,64
39,22
38,86 45,28
Débit d'air gazéification (m3/h)
205,67 87,79
Débit d'air de combustion du gaz (m3/h)
201,80
Masse de charbon produit (Kg)
9,25
0,26 5,56 7,26
Durée de gazéification (min)
88
110 103 164
Consommation (Kg/min)
0,394
0,357 0,377 0,276
Consommation
Spécifique (Kg/KWh) 2,118
1,160 0,823 0,876 0,516 1,073
Energie de la biomasse (KJ)
757 873,32
834 166,26 828 500,64 995 030,26
Energie du charbon (KJ) 250 769,07
7 307,25 144 193,21 180 005,82
Energie nette de gazéification (KJ)
507 104,25
826 859,01 684 307,43 815 024,44
Puissance nette (KW) 96,04
125,28 110,73 82,83
Puissance utile(KW) 11,15
18,43 27,50 25,84 32,12 15,43
Rendement massique (%)
29,12%
0,72% 15,34% 17,02%
Rendement thermique (%)
11,61%
14,71% 24,84% 23,34% 38,78% 18,63%
Tableau 7: Bilans de matière et d'énergie de gazéification
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a. Bilan de matière du gazéifieur à coques d’anacarde
Les résultats des tests de gazéification, nous montre que la consommation de biomasse du
gazéifieur a varié suivant les tests. La plus grande consommation de biomasse a été constatée au
test N°1 avec une valeur de 0, 394 Kg/ min. La consommation la plus faible a été constatée au
test N°4 pour une valeur de 0,276 kg/min. Nous aussi remarquons que les valeurs de
consommations de biomasse pour les trois premiers tests sont nettement plus élevées que la
valeur du test N°4. La variation du débit d’air est susceptible d’être à l’origine de ce phénomène.
Pour les trois premiers tests, le débit d’air est resté le même soit environ 205,67 m3/h tandis que
le débit d’air du test N°4 est de 87, 79 m3/h. L’augmentation du débit d’air de gazéification a pour
effet d’accélérer la consommation de biomasse du gazéifieur, ce qui peut s’expliquer par le fait
que cette augmentation du débit d’air favorise les réactions exothermiques et rapides de
combustion de la biomasse (figure 36).
Le rendement massique de gazéification varie aussi suivant le test. Elle est maximale pour le test
N°1 (29,12%) et retombe entre 15,34% et 17,02% respectivement pour le test N°3 et N°4. La
valeur 0,72% obtenu lors du test N°2 est erronée. Suite à une erreur de manipulation du
réacteur, la consommation de charbon s’est poursuivie après la fin de la gazéification. Le
rendement massique ne semble pas influencé par le débit d’air car la variation du rendement
massique entre les tests N°3 et N°4 est de l’ordre de 1,7% pour une variation de débit d’environ
117,9 m3/h entre ces deux tests. Cette même variation du rendement massique atteint 13,78%
entre le test N°1 et le Test N°4 alors que le débit d’air lors de ces tests sont identiques (Figure
37).
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Test 1 Test 2 Test 3 Test 4
Consommation(Kg/min)
Consommation(Kg/min)
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
Test 1 Test 2 Test 3 Test 4
Rendement massique(%)
Rendementmassique(%)
Figure 35: Consommation de biomasse par test Figure 36: Rendement massique par test
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b. Analyses des résultats de performance du gazéifieur
Les figures 38 et 39 présentent les résultats de rendement et de consommation spécifique
obtenue lors des tests.
Le premier constat que nous pouvons faire sur les performances énergétiques du gazéifieur est
la variation du rendement thermique suivant les tests réalisés. Le rendement thermique le plus
bas a été constaté lors du test N°1. Le rendement obtenu pour ce test est d’environ 11,61%. Le
rendement le plus élevé a été obtenu lors du test N°4 soit une valeur d’environ, 38,78%. Une
analyse approfondie des données des différents tests nous révèle un certain nombre de facteurs
influant sur le rendement thermique. Le premier facteur que nous avons identifié est l’état
d’encrassement des conduites de gaz. Lors du fonctionnement du gazéifieur, les goudrons et les
résidus de charbons contenus dans le gaz produit se déposent dans les conduites de gaz
réduisant les performances du gazéifieur. Le rendement obtenu au test N°1 illustre bien ce
phénomène. Après le test N°1, les conduites de gaz ont été nettoyées, nous avons alors constaté
une nette amélioration des performances du gazéifieur pour les tests qui ont suivi. Le deuxième
facteur que nous avons identifié est le débit d’air de gazéification. Deux phénomènes nous ont
permis d’identifier le débit d’air comme étant un facteur influant sur le rendement thermique.
Dans un premier temps, nous avons constaté une hausse significative du rendement thermique
(38,78%) au test N°4, où le débit d’air était de 87,79 m3/h, par rapport aux tests précédents où le
débit d’air était d’environ (205,67 m3/h). Dans un second temps, nous avons pu réaliser 2 tests
d’ébullitions de l’eau lors des tests de gazéification N°3 et N°4. Le constat est que les rendements
sont plus élevés pour les premiers tests d’ébullition d’eau que pour les seconds, ce qui implique
une variation de la puissance dans le temps au cours d’une gazéification. Le facteur responsable
de ces variations de puissance et de rendement est le ratio d’équivalence. En effet, en mode de
fonctionnement de type batch comme c’est le cas pour nos tests, le débit d’air reste constant
tandis que la masse de biomasse dans le réacteur diminue au cours du temps. Il en résulte alors
une variation du ratio d’équivalence de la gazéification qui augmente au cours du temps. Quand
le ratio d’équivalence devient supérieur à la valeur optimale pour une gazéification, soit environ
25% (cf. partie 2.4, il en résulte une baisse du PCI du gaz combustible produit, et donc de la
puissance du gazéifieur.
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Le troisième paramètre influençant la puissance du gazéifieur est l’humidité de la biomasse. Les
figures 27 et 28 nous montrent bien une baisse de la puissance et du rendement thermique du
gazéifieur au fur de l’augmentation de la teneur en eau de la biomasse.
Figure 37: Rendement thermique par test
Figure 38: Consommation spécifique de biomasse par Kilowattheure produit
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
Test 1 Test 2 Test 3.1 Test 3.2 Test 4.1 Test 4.2
Test 3 Test 4
Rendement thermique(%)
Rendementthermique(%)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Test 1 Test 2 Test3.1
Test3.2
Test4.1
Test4.2
Consommation spécifique (Kg/KWh)
Consommation spécifique(Kg/KWh)
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Figure 39: Variation de la puissance utile en fonction de l'humidité de la biomasse
Figure 40: Variation de rendement thermique en fonction de l'humidité de la biomasse
2.3. Synthèse des tests de caractérisation du gazéifieur à coque d’anacardes.
Les tests de performances réalisés sur le gazéifieur à coque d’anacardes, nous ont fourni les
informations sur les paramètres de fonctionnement du gazéifieur à coque d’anacardes en
fonctionnement batch.
L’étude de l’influence des paramètres de fonctionnement du gazéifieur sur ses performances a
permis de faire les remarques suivantes :
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
0,00% 2,00% 4,00% 6,00% 8,00% 10,00%
Puissance utile(KW)
Puissanceutile(KW)
0,0%
5,0%
10,0%
15,0%
20,0%
25,0%
30,0%
35,0%
40,0%
45,0%
0,0% 2,0% 4,0% 6,0% 8,0% 10,0%
Rendement thermique(%)
Rendementthermique(%)
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L’état d’encrassement des conduites influe grandement sur l’évaluation des performances
du gazéifieur par le brûleur et probablement aussi sur la gazéification elle-même. cela
implique qu’un nettoyage régulier des conduites de gaz est indispensable pour garantir
un fonctionnement optimal du gazéifieur.
Le débit d’air constitue aussi un facteur influant sur les performances du gazéifieur. Lors
de nos tests, nous avons observé que les meilleures performances énergétiques ont été
obtenues pour un débit d’environ 87,8 m3/h, débit minimal du souffleur d’air. Cependant,
cette puissance baisse au fur et à mesure de la consommation de biomasse. Cela est
imputable à la hausse du ratio d’équivalence durant la gazéification entrainant la baisse
de PCI du gaz produit.
L’humidité des coques joue aussi un rôle déterminant sur les performances de la
gazéification. Plus cette humidité est faible, plus la puissance utile du gazéifieur est
importante et meilleur est le rendement thermique du gazéifieur.
Le gazéificateur à coque d’anacarde produit une puissance thermique maximale d’environ 32,12
KW et a un rendement thermique maximal de 38,8% dans les conditions optimales de
fonctionnement que nous avons identifiées. Ces paramètres sont les suivants :
Masse de chargement de coques d’environ 45 kg
Humidité des coques d’environ 5,8%
Débit d’air d’environ 87, 8 m3/h
Dans ces conditions de fonctionnement, la consommation de biomasse du gazéifieur est
d’environ 0,28 kg de coques par minute. La consommation spécifique de biomasse est d’environ
0,52 Kg de coque par KWh thermique produit et le rendement massique du gazéifieur dans ces
conditions est d’environ 17%.
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3. OPTIMISATION DU GAZEIFIEUR
Les tests de gazéifications que nous avons réalisées sur le gazéifieur à coque d’anacardes nous a
permis de déceler des problèmes qu’il convient de corriger afin d’améliorer les performances du
gazéifieur à coque d’anacarde. Ces améliorations apportées au gazéifieur ont permis la mise au
point deux prototypes améliorés du gazéifieur à coques d’anacarde.
3.1. Amélioration sur la chambre de gazéification et le réacteur.
Durant les tests de gazéification, nous avons pu remarquer des fuites de gaz et de la
condensation de goudrons et de probablement de CNSL au niveau des sas inférieurs du
gazéifieur (voir Figure 42). Ce phénomène peut s’expliquer par la présence d’une zone morte
dans la partie inférieure de la chambre de réaction. La température de cette zone n’est pas assez
élevée pour que s’opère les réactions de conversion des goudrons. Les goudrons non convertis
représentent une part de l’énergie perdue durant la gazéification. Afin de minimiser ces pertes,
la solution proposée consiste à supprimer la zone morte en la transformant en zone réactive où
la température permet la conversion des goudrons en gaz combustible. Pour atteindre cet
objectif, les modifications à opérer sur le gazéificateur sont les suivantes :
La réduction de la hauteur du cône de la chambre de réaction permettra de garder une
température favorable à la réaction de conversion des goudrons dans la partie inférieure
de la chambre de gazéification (voir figure 43).
La création d’entrées d’air au niveau de la zone de combustion du réacteur, juste au-
dessus des bouches d’amorçages. En soufflant de l’air directement dans la zone de
combustion, cela aura pour effet d’augmenter la température à l’intérieur de la chambre
de combustion favorisant ainsi les réactions endothermiques (voir figure 43).
L’augmentation de la longueur de la partie du cylindre intérieur du réacteur d’environ 15
cm dans la chambre de réaction permettra au gaz de traverser une plus grande épaisseur
de lit de réduction. Le temps de séjour du gaz dans le lit de réduction sera ainsi augmenté,
cela permettra sans doute une meilleure gazéification du lit de charbon constituant la
zone de réduction (voir figure 43).
Les effets attendus de ces optimisations sont l’amélioration du rendement thermique du
gazéifieur par l’augmentation de la production de gaz combustibles et la conversion d’une plus
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grande proportion du charbon de la zone de réduction. La création d’entrées supplémentaires
impose un meilleur contrôle du débit afin de garder un ratio d’équivalence optimal.
Figure 41: Vue des goudrons condensés
Figure 42: Aperçu des prototypes de gazéifieur
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3.2. Améliorations fonctionnelles sur le gazéifieur.
Des modifications supplémentaires sur le gazéifieur à coque d’anacardes sont nécessaires afin
d’améliorer son fonctionnement. Les modifications .proposées sont les suivantes :
Le compartiment d’alimentation actuel comporte un seul sas. Dans cette configuration,
l’alimentation en biomasse du gazéifieur durant le fonctionnement peut s’avérer
périlleuse pour l’opérateur. En effet, l’alimentation du gazéifieur durant son
fonctionnement entrainera l’émanation du gaz chaud et chargé de matières toxiques (CO,
goudrons) par le sas d’alimentation exposant ainsi l’opérateur à un danger certain. Pour
éviter un tel scénario, un système de double compartiment comportant deux sas (voir
Figure 32) est proposé. Avec ce système, l’opérateur verse la biomasse dans le
compartiment supérieur, ensuite il ouvre le sas supérieur afin de faire tomber la
biomasse dans le compartiment inférieur. Après cela, le sas supérieur est refermé.
L’opérateur peut alors ouvrir le sas inférieur pour introduire la biomasse dans le
réacteur et le referme ensuite. Durant cette étape, le gaz émanant du réacteur reste piégé
dans le compartiment inférieur Ainsi, l’opérateur n’est plus directement exposé au gaz
émanant du réacteur.
Les sas de déchargement du gazéifieur actuels sont horizontaux. Nous observons des
coulées de goudrons ou de CNSL sur les plaques glissantes des sas durant la gazéification.
Ces goudrons en se solidifiant augmentent l’adhérence des plaques glissantes sur les
glissières rendant difficile la manipulation des sas. L’inclinaison des sas (voir Figure 32)
pourrait permettre un meilleur écoulement de cette phase liquide relativement chaude
pendant la gazéification et limiter ainsi le problème d’adhérence des plaques glissantes
sur les glissières associé à la présence de goudrons résiduels.
La configuration actuelle des conduites de circulations de gaz ne facilitent pas leur
nettoyage. Afin de faciliter le nettoyage des conduites de circulations de gaz, les coudes
actuellement installés seront remplacés par des Tés munis de bouchons (Voir figure 33).
Cette configuration facilitera le nettoyage périodique des conduites de circulation de gaz.
Une version autre du gazéifieur destinée à fonctionner en batch a été conçue pour limiter
les problèmes de fuites de gaz observés lors d’expérimentations menées sur le gazéifieur
comportant des sas (cf. annexe tests de Loumbila). Dans cette version les sas
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d’alimentation et de déchargements sont remplacés par des couvercles étanches munis de
système de blocage (voir Figure 32).
Figure 43: Aperçu de modification des conduites de circulation de gaz
ETUDE ET OPTIMISATION D’UN GAZIFIEUR A COQUES D’ANACARDE
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CONCLUSION ET PERSPECTIVES L’objectif principal de nos travaux réalisés au Laboratoire Biomasse Energie et Biocarburants du
2iE a été l’étude et la caractérisation du gazéifieur à coque d’anacardes conçu par l’entreprise
ISOMET. Dans un premier temps, nous avons effectué une synthèse bibliographique d’une part
sur les coques d’anacarde et d’autre part, sur la gazéification afin de mieux comprendre les
mécanismes liés à ce processus de transformation de la biomasse et de faire l’inventaire de
l’ensemble des technologies de gazéification existantes, leurs particularités intrinsèques et leurs
applications. . A l’issue de cette investigation bibliographique, nous avons procédé à des
expérimentations sur le gazéifieur faisant l’objet de notre étude. Les objectifs de cette
expérimentation ont été la caractérisation du fonctionnement du gazéifieur ainsi que l’évaluation
de ses performances. A chaque test de gazéification, nous avons évalué un certain nombre de
paramètres sur le gazéifieur tels que la puissance thermique, la quantité de biomasse
consommée, la durée de la gazéification et le débit d’air apporté à la réaction. Les tests
d’ébullition de l’eau nous ont donné une puissance du gazéifieur variant entre 11,15 KW et 32,22
KW pour un débit d’air variant entre 87,79 et 205,67 m3/h. La consommation de la biomasse
varie entre 0,394 Kg/min et 0,276 Kg/min. Nous avons aussi caractérisé les coques d’anacarde
et les charbons pour chaque test de gazéification grâce aux analyses immédiates réalisées au
laboratoire. Les résultats de ces analyses nous ont révélé une forte teneur en matière volatile
(jusqu’à 89,3%) dans les coques d’anacardes. Cette propriété fait des coques d’anacarde une
biomasse particulièrement adaptée pour la gazéification. Le croisement des résultats des tests de
gazéification et des analyses de la biomasse, nous ont révélé que les performances de la
gazéification sont d’autant meilleures que l’humidité de la biomasse est faible. Sur la base des
résultats des tests de performances et aux observations faites durant les gazéifications, nous
avons proposé des optimisations à apporter sur le gazéifieur afin d’en améliorer les
performances et le fonctionnement.
. La gazéification des coques d’anacardes présente des perspectives intéressante et notre étude
ouvre la voie à la recherche de solutions afin d’améliorer les technologies dans le domaine.
Notre étude a permis de comprendre le fonctionnement du gazéifieur, d’évaluer ses
performances énergétiques et de l’optimiser sur la base d’insuffisances recensées lors des tests.
Les prototypes améliorés proposés dans notre étude doivent être testés et validés avant de
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servir à la construction d’autres gazéifieurs. Des aspects, comme les mécanismes
thermochimiques lors de la gazéification, la caractérisation du gaz produit, et l’étude d’impacts
environnementaux et technico-économiques après l’installation du gazéifieur dans l’unité de
Dakoro, pourront alors faire l’objet d’études complémentaires. Il serait aussi intéressant
d’étudier l’influence du changement d’échelle du gazéifieur sur ses performances et sur les
impacts cités précédemment. Ce changement d’échelle permettra de produire des gazéifieurs
adaptés à la taille et aux besoins des unités de transformation d’anacardes.
ETUDE ET OPTIMISATION D’UN GAZIFIEUR A COQUES D’ANACARDE
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Renewable Energy. 2006, 31.
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5. TSAMBA, ALBERTO JÚLIO. FUNDAMENTAL STUDY OF TWO SELLECTED TROPICAL BIOMASS FOR
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ANNEXES
ANNEXE 1 : Mode opératoire de caractérisation des souffleurs
Le test de détermination du débit d’air et la consommation électrique en fonction de la position
d’ouverture de l’opercule d’admission d’air du souffleur. La course de l’opercule entre la position
Fermée à la position totalement Ouverte a été subdivisée en six points équidistants notés de 0 à
5. La position 0 correspond à la fermeture totale de l’opercule, la position 5 correspond à
l’ouverture totale. Les souffleurs ont été montés sur un banc d’essai électrique suivant les
schémas d’électrique ci-dessous.
La vitesse de l’air à la sortie du souffleur est mesurée à l’aide d’un anémomètre tandis qu’un
ampèremètre monté en série avec le moteur mesure l’intensité du courant absorbé par le moteur
électrique du souffleur.
Les essais de mesures sur les souffleurs sont effectués suivant les étapes ci-après :
1. Câblage d’un moteur sur le banc d’essai suivant le schéma électrique de montage
2. Activation du contact du banc d’essai et mise en marche du souffleur
3. Attente 30 secondes pour que le souffleur soit en régime stationnaire
4. Déconnexion du shunt de l’ampèremètre pour commencer les mesures d’intensité
5. Réglage de l’ouverture de l’opercule sur position i (i = 0,1,…,5)
6. Positionnement de l’anémomètre à la sortie d’air du souffleur
7. Attente de stabilisation de la vitesse sur le l’afficheur numérique de l’anémomètre et
lecture de la vitesse
8. Lecture de l’intensité du courant sur l’ampèremètre
9. Changement de la position de l’opercule vers le point suivant
10. Répétions des étapes 5 à 9
11. Arrêt du moteur
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ANNEXE 2 : Conduite du gazéifieur
Pour les tests de caractérisation du gazéifieur à coque d’anacarde nous avons choisi un mode de
fonction par batch. Cela signifie qu’une fois le gazéifieur chargé en biomasse, il y a plus d’ajout ou
de retrait de biomasse en cour de fonctionnement. Le protocole de conduite ci-après à est établie
pour ce mode de fonctionnement. Nous considérons au début du test que le gazéifieur est
totalement vide et aucun souffleur n’est installé, et tous les sas sont ouverts. Les étapes de
conduite peuvent êtres subdivisé en trois groupes : le chargement et la mise en marche et le
déchargement
Le chargement :
1- Fermer les deux sas de déchargement du gazéifieur et retirer les bouchons placés sur
les orifices d’amorçage
2- Verser par le sas de chargement une quantité de charbon de coques préalablement
pesé à la balance (environ 4 kg)
3- Bien étaler le lit charbon et vérifier que le niveau de charbon est à environ 5 cm du
fond de la chambre de gazéification.
4- Verser au-dessus du lit de charbon des morceaux de papiers ou des feuilles d’arbre
mortes jusqu’à ce atteindre le niveau des orifices d’amorçage du gazéifieur. Ce lit
servira d’amorce afin d’accélérer le démarrage du gazéifieur. Environ 1 kg de papiers
ou de feuilles mortes suffisent.
5- Charge le gazéifieur avec une quantité préalablement pesée de coques d’anacardes et
veiller à ne pas dépasser le niveau du sas de chargement
6- Refermer le sas de chargement
La mise en marche :
1- Placer les deux souffleurs au niveau des orifices de soufflage du gazéifieur
2- Connecter les souffleurs au réseau en veillant à ce que les câbles électrique ne soit pas
proche d’un bouche d’amorçage ou en contact avec la paroi du gazéifieur.
3- Ouvrir la vanne du circuit de gaz
4- Démarrer le souffleur N°1 (gazéifieur)
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5- A l’aide de morceau de bois, de cartons ou d’un chalumeau enflammer la zone de
combustion à travers chaque une bouche d’amorçage. Un jet de flamme sortant de la
bouche d’amorçage est le signe que l’amorçage est réussi.
6- Refermer chaque bouche d’amorçage à l’aide son bouchon. On remarque alors que la
sortie d’un épaisse fumée sortant du brûleur.
7- Activer le souffleur N°2 (Air brûleur)
8- Approcher une flamme du brûleur sans s’exposé aux fumées et attendre que le gaz
produit s’enflamme.
9- Régler les débits d’air des souffleurs sur la position voulue pour le test.
Le déchargement :
1- Attendre l’extinction de la flamme du bruleur, signe de la fin de la gazéification
2- Fermer la vanne du circuit de gaz
3- Eteindre les souffleurs et les retirer du gazéifieur
4- Attendre au moins le refroidissement total du gazéifieur, signe qu’il y a plus de feu à
l’intérieur du réacteur.
5- Ouvrir le sas supérieur et pousser les charbons à l’aide d’un bâton
6- Ouvrir les sas de déchargement et vider le charbon.
7- Répéter les étapes 5 et 6 jusqu’au déchargement total du gazéifieur.
8- Peser la masse totale de charbon retiré du gazéifieur.
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ANNEXE 3 : Méthode Opératoire de test ébullition d’eau (Water boiling test)
Le test d’ébullition d’eau se réalise selon le protocole suivant :
1- Peser la marmite à vide à l’aide d’une balance
2- Remplir la marmite à un niveau d’eau acceptable pour le test
3- Peser la marmite remplie d’eau
4- Placer la marmite sur la plateforme WBT et fermer la marmite à l’aide sont couvercle
5- Allumer le brûleur du gazéifieur.
6- Mesurer la température initiale de l’eau à l’aide d’un thermocouple
7- Lancer le chronomètre de compte à rebours pour une durée de 2 minutes
8- Au bout de 2 minutes mesurer la température de l’eau
9- Répéter les étapes 7 et 8 jusqu’à constat d’ébullition de l’eau.
10- Une fois l’eau en phase d’ébullition, retirer le couvercle et on laisse l’eau mijoter durant
30 minutes
11- Au bout des 30 minutes mijotage descendre la marmite et remettre le couvercle
12- Attendre le refroidissement de la marmite et ensuite procéder à une pesée de la marmite
avec l’eau restante puis de la marmite vide
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ANNEXE 4 : Test du prototype N°2 du gazéifieur
Le prototype N°2 du gazéifieur à coque d’anacarde a été construit afin de tester et valider toutes
les améliorations techniques proposées lors de l’étude du prototype initial de gazéifieur. Nous
avons pu effectuer deux tests avec différentes configurations. Lors du premier test, trois
souffleurs ont été utilisés tandis qu’au deuxième test, seulement deux souffleurs ont été utilisés
dans la même configuration que dans le gazéifieur initial. L’entrée d’air supplémentaire a été
bouchée. Lors des deux tests, les observations suivantes ont été faites :
Nous avons observé la présence de fumées se mélangeant aux flammes à la sortie du
brûleur (cf. Figure 44)
Nous avons observé des fuites importantes de gaz au niveau des sas inférieurs et
supérieurs du gazéifieur et aux jonctions des conduites de gaz. (cf. Figures 44 et 45)
Au niveau des sas inférieurs, nous avons constaté une condensation de goudrons plus
importante que celle observée sur le premier prototype du gazéifieur.
En outre, l’intensité de la flamme du deuxième prototype est plus faible que celle du
premier prototype (cf. Figure 44).
Les interprétations que nous pouvons faire de ces observations sont les suivantes :
La présence de fumées dans les flammes du brûleur est le signe d’une mauvaise
combustion du gaz du fait d’un apport en air insuffisant ou d’un mauvais mélange entre le
gaz et l’air.
Les fuites importantes de gaz observées au niveau des sas et aux jonctions des conduites
de gaz sont probablement dues respectivement à une augmentation de pression dans le
réacteur et aux pertes de charges imputables au Té dans les conduites. Cette
augmentation de pression dans le réacteur pourrait provenir du prolongement de la paroi
interne du réacteur.
L’effet combiné des fuites et des pertes de charge dans les conduites sont l’origine
probable de la faible intensité de la flamme du gazéifieur.
Afin de valider nos hypothèses, nous procéderons au renforcement des soudures, et la
modification des conduites en remplaçant les Té par des coudes afin de réduire les pertes de
charges. Par ailleurs la portion de conduite située entre le séparateur de particules et le brûleur
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sera divisée en en deux pièces assemblées à l’aide d’une bride afin de faciliter le nettoyage de la
conduite (cf. Figure 46)
Figure 45 : Vue du brûleur à gaz lors du test
Figure 44 : Vue des fuites de gaz lors du test
Figure 46 : Schémas de la conduite de gaz modifiée
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