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Projet Megazo1
Séminaire de thermodynamiquedu 20 décembre 2002
Introduction au projet Megazo
Promoteur : Pr. Joseph MartinChef de projet : Jean-Marie SeynhaeveAssistant de recherche : Baptiste BuxantPartenaire industriel: Xylowatt
Projet Megazo2
Plan de l’exposé introductif
La gazéification
Contexte
Objet de la recherche Megazo
Plan de travail
Phase 1: Caractérisation
- Matrice des essais
Phase 2: Modélisation des foyers
Phase 3: Étude et design d’un foyer 1MWe
Phase 4: Réalisation du gazogène
Projet Megazo3
La gazéification
Input
• Bois de toute essence
• Conditions sur Granulométrie & Humidité
• Origine: rés. forestiers,rés. agricoles, scieries, cultures énergétiques, bois de démolition, bois contaminés.
• De l’air…
OutputGaz combustible(CO, H2, CH4, CO2, N2, H2O)
En aval du gazogène Moteur & Cogénération, Turbine, ChaudièrePîle à combustible
Projet Megazo4
Contexte (1) A l’UCL:
• 10 années de recherche fondamentale
• Gazel (à Ophain)
• Regal (à l’ucl)
• Minigazogène (à l’ucl)
• Projets en cours : WW-Cogen, Mini-Cogen, Gazopile
Xylowatt : spin-off UCL
Gazogènes de 0,1 à 0,5 Mwe (1000 tep/an)
Potentiel biomasse en Belgique: 1 million tep/an
1. Peu valorisé
2. Problèmes de débouchés
Projet Megazo5
Contexte (2)
Enjeux environnementaux, sociaux et économiques
Cependant…
•Limitation de la puissance
•Design du foyer critique (> 0,5 Mwe)
•Problème de répartition de l’air
Figure 1 Figure 2
Gaz de pyrolyse
airair
Projet Megazo6
Objet de la recherche Megazo
Modélisation des foyers de gazogènes
Écoulement des réactifs (gaz de pyrolyse, air)
Écoulement du milieu poreux
Equilibres & cinétique des réactions
Simulation CFD des foyers
Expérimentation sur maquette, validation
Etude & Optimisation d’un gazogène 1Mwe
Réalisation d’un prototype
Projet Megazo7
Plan de l’exposé introductif
La gazéification
Contexte
Objet de la recherche Megazo
Plan de travail
Phase 1: Caractérisation
- Matrice des essais
Phase 2: Modélisation des foyers, validation
Phase 3: Étude et design d’un foyer 1MWe
Phase 4: Réalisation du gazogène
√
√
√
Projet Megazo8
Phase 1: Caractérisation (1)
Etude de l’influence des paramètres fondamentaux
Mise en évidence de lois d’homothétie ?
Gazogène expérimental 30 kWe
Gazogène REGAL 300 kWe
Guidelines de design pour 1Mwe
Apport de données pour les phases suivantes
Projet Megazo9
Phase 1: Caractérisation (2)
Matrice d’essais
Paramètres
•Gazogène Expérimental / Gazogène REGAL
•Débit d’air
•Granulométrie du combustible
•Humidité du combustible
Grandeurs mesurées
•Composition du gaz
•Teneur en goudrons
•Température du gaz
•Humidité du gaz
Projet Megazo10
Phase 1: Caractérisation (3)
1. Recherche du débit d’air nominal
• Granulométrie & humidité fixées
2. Influence sur la gazéification de:• Granulométrie du combustible• Humidité du combustible
Gazogène expérimental: 20 + 5 essais Gazogène REGAL : 20 + 5 essais
Planning:
Fin des essais: mai 2003
Durée 17 semaines
3 essais/semaine
Projet Megazo11
Matrice d’essai du Gazogène expérimental
7% 14% 20% 20 30 35 40 45 50 60 Nom-5 Nom Nom+5Plaquettes forestières
Broyat de palettes
1 1 1 12 1 1 13 1 1 14 1 1 15 1 1 16 1 1 17 1 1 18 1 1 19 1 1 1
10 1 1 111 1 1 112 1 1 113 1 1 114 1 1 115 1 1 116 1 1 117 1 1 118 1 1 119 1 1 120 1 1 1
Humidité Type de bois
Essai n°
Débit d'air [m3N/h]
Projet Megazo12
Phase 2: Modélisation du foyer
Simulation CFD (Fluent)
Modélisation de la pyrolyse
Modélisation du matériau poreux
Modélisation des écoulements (réactifs solides & gazeux)
Simulations
Validation sur maquette « froide »
Comparaison avec résultats CFD
Projet Megazo13
Phase 3: Design du foyer 1MWe
Choix de configurations
Foyer cylindrique
Foyer annulaire
Foyer à géométrie elliptique
…
Simulation CFD des configurations (Fluent)
Simulations pour plusieurs conditions de fonctionnement
Sélection et optimisation du meilleur design
Vérification du design choisi sur maquette 1:1
Projet Megazo14
Phase 4: Réalisation du gazogène
Conception du gazogène pilote :
Design complet du gazogène pilote (sans système d’épuration)
Construction du gazogène et de ses périphériques
Sous-traitance de la réalisation
Localisation à définir…
Caractérisation du gazogène pilote
Puissance nominale
Teneur en goudrons
Influence granulométrie & humidité
Projet Megazo15
Conclusions
Nécessité de développer un modèle pour la gazéification
Plan de travail
Phase 1: Caractérisation
Phase 2: Modélisation des foyers
Phase 3: Étude et design d’un foyer 1MWe
Phase 4: Réalisation du gazogène
Projet Megazo16
Phase 2: Modélisation du foyer
Pyrolyse
Bois
1.44 0.66CH O
Matières volatiles Coke végétal
Sous l’effet de la température
1.2 0.5CH O 0.4 0.058CH O
Projet Megazo17
Combustion
1.2 0.5CH O 2+ 0.6 O
2 2 20.5CO +CO +0.4H +0.2H O
Matières volatiles sous forme gazeuse
Coke végétal sous forme solide
2 2
2
C + O CO +393800kJ/kmole
C + 0.5 O CO +110600kJ/kmole
Réduction
2 2
2
C + H O CO +H 131400kJ/kmole
C + CO 2CO 172600kJ/kmole
Projet Megazo18
Relachement des gaz de Pyrolyse : fraction massique restante
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 450.0 500.0 550.0 600.0
Température(°C)
Pro
po
rtio
n (
%)
Pyrolyse : relâchement en fonction de la température
Projet Megazo19
Chimie à l'équilibre de la pyrolyse
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
400.0 500.0 600.0 700.0 800.0 900.0 1000.0
Température (°C)
Fra
ctio
n m
ola
ire
(%)
CO2 + C = 2 CO
H2O + C = CO + H2
C + 2 H2 = CH4
Pyrolyse : « chimie » à l’équilibre
Projet Megazo20
Pyrolyse : évaluation de la composition
Température (°C) 600Proportion bois restant (p) 0.260Fraction molaire CO 0.090Fraction molaire CO2 0.231
Fraction molaire H2 0.306
Fraction molaire H2O 0.253
Fraction molaire CH4 0.119
Masse moléculaire (kg/kmole) 19.777R des gaz de pyrolyse (J/kg/K) 420.4
GAZ DE PYROLYSE
5 relations :- 3 équations d’équilibre chimiques : f(T)- bilan de masse : bois, matières volatiles, coke végétal
1.44 0.66CH O 1-x 1.44-0.4x 0.6-0.058xC H Ox 0.4x 0.058xC H O= p(T) + (1-p(T))
- somme des fractions molaires = 1
Projet Megazo21
Géométrie des gazogènes
REGAL
1075
540
41056 °
O
17660 °
48
GEOMETRIE REGAL MINIGAZOD intérieur injecteur (mm) 28 18Nombre d'injecteurs 11 5Section injecteur (m2) 6.773E-03 1.272E-03D supérieur (mm) 1075 413H supérieur (mm) 540 229
Angle supérieur (°) 60 60
D inférieur (mm) 1000 464H inférieur (mm) 410 243Angle inférieur (°) 56 60H axe injecteur (mm) 176 84D équivalent injecteur (mm) 871.77 316.01H injecteur (mm) 2.47 1.28
Projet Megazo22
2D axisymétrique : Conditions aux limites - Maillage
AIR
GAZ
Débit d'air (Nm3/h) 400Débit d'air (kg/s) 0.1437Température air (°C) 20Débit de bois sec (kg/h) 250Débit de gaz de pyrolyse 0.05139R du gaz 420.4Température gaz (°C) 1000
Conditions aux limites - REGAL
Projet Megazo23
Modélisation du lit de particules de boisMILIEUX POREUX
3
13.5TERME TURBULENT :
p
CD
2
2 3
11 150TERME VISQUEUX :
p
DD
21TERME SOURCE:
2S D v C v ERGUN
Porosité 0.37Diamètre particule (mm) 12Perméabilité (alpha) 1.225E-07Résistance visqueuse (D) 8.162E+06Resistance "turbulente" (C) 3.628E+03
Matériau Poreux 4 simulations en 2D axisymétrique :
- « BASIC » - « VIDE » : D et C = 0- « VISQ » : C = 0- « TURB » : D = 0
Projet Megazo24
Simulation 2D axisymétrique : BASIC « Vitesse »
Projet Megazo25
Simulation 2D axisymétrique : BASIC Trajectoire
Projet Megazo26
Simulation 2D axisymétrique : VIDE Trajectoire
Projet Megazo27
Simulation 2D axisymétrique : VISQ Trajectoire
Projet Megazo28
Simulation 2D axisymétrique : TURB Trajectoire
Projet Megazo29
Simulation 2D axisymétrique : Faction massique
Basic Vide
Visq Turb
Projet Megazo30
Simulation 2D axisymétrique : Température
Basic Vide
Visq Turb
Projet Megazo31
Simulation 3D : MINIGAZO - REGAL
VOIR FLUENT : MINIGAZO
Projet Megazo32
Simulation 3D : MINIGAZO – Fraction massique
Projet Megazo33
Simulation 3D : REGAL – Fraction massique
Projet Megazo34
Simulation 3D : MINIGAZO – Température
Projet Megazo35
Simulation 3D : REGAL – Température
Projet Megazo36
Conclusions
- Influence importante de la nature du lit de particules de bois
- Influence de la géométrie – Effet d’échelle
- Imperfections de la modélisation
Modélisations futures
- Simulation de la génération de chaleur« Combustion » - « Réduction »
- Simulation du dégagement des mat. vol.. Fonction de la température. Conduction dans le milieu poreux
- Caractéristiques du milieu poreux
- Etude de sensibilité
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