caractérisation thermique et chimique de biomasse 2g et de...

Caractérisation thermique et chimique de Biomasse 2G et de Biogaz - Car2Bio

Hervé Pron 1 Journées Condorcet 5-6 juillet 2016, Gembloux


Hervé Pron,

Clarisse Lorreyte, Jaona RandrianalisoaGRESPI EA 4694, Université de Reims, Campus du Moulin de la Housse, 51687 Reims, France

Brigitte ChabbertFARE, UMR INRA 614, Université de Reims, 2 esplanade Roland- Garros, 51686 Reims, France

Matthieu CourtyLRCS, UMR CNRS 7314, Université de Picardie Jules Verne, 33 rue Saint Leu, 80039 Amiens, France



Idée de départ :

Utiliser l’énergie solaire pour transformer et valoriser la biomasse



Réalisation d’études préliminaires à la mise en place d’un dispositif innovant de synthèse de gaz à partir debiomasse 2G caractérisation thermique de la biomasse caractérisation chimique de la biomasse caractérisation du biogaz issu du procédé

Développer un modèle multiphysique de la pyrolyse et de la gazéification, qui serait nourri des données recueillies

Utiliser au mieux les matériels et les compétences en régions Champagne-Ardenne et Picardie, dans le cadre d’un projet fédérateur et innovant

Initier des collaborations en vue d’un projet plus ambitieux…

Objectifs



La valorisation des ressources lignocellulosiques

Biomasse de 2nde génération(pailles, sciures de bois, écorces, feuilles, herbes…)

Voie Biochimique Voie Thermochimique

Electricité Chaleur

BiocarburantsBiocarburants

Ethanol ABE (Acétone-buthanol-éthanol)

Syndiesel Ethanol Méthanol



Choix du type de biomasse

Bois dur Pailles HerbesBois tendre

40-55% Cellulose24-40 % Hémicellulose18-25% Lignine




Cellulose : fermentable en éthanol

Hémicellulose : hydrolysable

Lignine : Composant non fermentable



C+CO2↔2COC+H2O↔CO+H2

C+2H2↔CH4H2O+CH4↔CO + 3H2

CH4+1.5O2→CO+2H2

CO+0.5O2↔CO2

H2+0.5O2↔H2OCH1.522O0.0228 +0.867 O2 →CO+0.761H2O

CcHhOo →0.33C+0.06CO2+0.04CO+0.007CH4+0.005H2+0.12H2O+0.19CH1.522O0.0228

CH1.522O0.0228 → 0.7CO + 0.18CO2 + 0.12CH4

Première étape : Décomposition endothermique de la biomasse en espèces volatiles, char et goudron

Deuxième étape : Gazéification des produits issus de la pyrolyse par un agent oxydant (air)

Objectif : modélisation multiphysique



Transport de masse

Transport des espèces

Transfert de chaleur

1

B rt

ρ

1C

C rνt

ρ

Q)u(ρ

t

ερf

f

C765B1C

i

ii )Mrr(rM)rν(1MRε

Q avec

uε

QuρF

K

μ)u(

3ε

2μ)u(u

ε

μpI

ε

u).u(

t

u

ε

ρ2fDF

T

2Ti1Biiiii

i rνrνR)c).D(D()u(ct

c

T2Tii

ifseffffeff,

i ii ΔHrενΔHRε)TA(Th)T(kt

ρHε

B1C

iiifseffrsseff,

s ΔHrνΔHRε)(1)TA(Thq)T(kt

ε)T(1

TσTβ3

16q 3

s

eff

r

)μβ(1β avec eff

avec i = O2, H2, CO2, CO, CH4, H2O et goudrons (tar)

Equation de Brinkman

Objectif : modélisation multiphysique



Propriétés chimiquesComposition généraleAnalyse élémentaire

Propriétés effectivesPerméabilité, coefficient de Forchheimer, coefficient de transfert de chaleur…

Pyrolyse de biomasse

/

gazéification de char

N2 ou Ar + H2O

[CO], [CH4], [H2]…

Propriétés de transport

T ,u



o Composition en lignine, cellulose, teneur en eau des biomasses (FARE)

o Courbes sorption/désorption d’eau (FARE)

o Composition du gaz, char et goudron de la cellulose microcristalline (LRCS)

o Analyse élémentaire des biomasses (composition en C, H, O, N et S)

Analyse chimique

Teneur en cellulose

(%masse)

Teneur en Hémicellulose

(%masse)

Teneur en lignine

(%masse)

Teneur en eau (%masse)

Sciure 29.61 18.25 32.14 6.17

Copeaux 35.64 19.5 28.79 7.69

Cellulose microcristalline

84.95 3.6 1.7 2.09

Teneur en C

(%masse)

Teneur en H

(%masse)

Teneur en O

(%masse)

Teneur en N

(%masse)

Teneur en S

(%masse)

Copeaux 45.77 6.10 47.01 0.15 <0.10

Cellulose microcristalline

42.97 6.49 50.65<0.10 <0.10






Sorption / désorption






Analyse Thermogravimétrique couplée à un chromatographe



Propriétés effectives de transport : volume représentatif

Collaboration avec S. HaussenerLaboratory of Renewable Energy Science and Engineering (Lausanne)

Images obtenues par tomographie X (résolution 9µm) Taille de la maille (1 pixel = 9µm)

Porosité



Champ de pression dans le tube (vitesse imposée en entrée, pression atm en sortie)

Distribution de température dans le tube (température imposée en entrée, flux nul en sortie)

Propriétés thermiques effectives



Champ de température dans le VER

Propriétés radiatives obtenues

par lancer de rayons

𝛽 =𝑁𝑜𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑎𝑦𝑜𝑛𝑠

𝑖 𝑙𝑖

Données issues de la littérature

Propriétés thermiques effectives



Modélisation numérique de gazéification

Fraction massique instantanée des gaz produits par pyrolyse de copeaux de bois

Distribution de vitesse (m/s) dans la phase fluide du réacteur pour une température de four de 1050K à t=900s

(*) C. Lorreyte, J. Randrianalisoa, H. Pron, S. Haussener, and W. Lipiński, Kinetic and thermal transport modelling of cellulose gasification in a vertical – tube reactor, Proceedings of the First Pacific Rim Thermal Engineering Conference, March 13-17, 2016, Hawaii's Big Island, USA (PRTEC-14567)

Simulation numérique (*)

Distribution de température (K) dans la phase fluide du réacteur (surface colorée) et dans la phase solide (contours) pour une température de four de 1050K à t=900s

Non uniformité de la température et

de la vitesse

Modèle en 3D requis



Bilan

Recueil de données chimiques et thermophysiquesconcernant la biomasse étudiée

Proposition d’un modèle 3D pour les réactions cinétiques, le transfert de masse et de chaleur pour la pyrolyse/ gazéification de biomasse

C. Lorreyte, J. Randrianalisoa, H. Pron, S. Haussener, and W. Lipinski, Kinetic and thermal transport modelling of cellulose gasification in a vertical - tube reactor, Proceedings of the First Pacific Rim Thermal Engineering Conference, March 13-17, 2016, Hawaii's Big Island, USA (PRTEC - 14567)

C. Lorreyte, J. Randrianalisoa, H. Pron, and S. Haussener, Experimental tests and numerical modellingof biomass pyrolysis in a vertical- tube reactor, 21st International Symposium on Analytical and Applied Pyrolysis (Pyro2016), May 9-12, 2016, Nancy, France

C. Lorreyte, J. Randrianalisoa, H. Pron, B. Chabbert, M. Courty, Caractérisation microstructurale, thermo-physique et chimique de biomasse et de biogas, Journées Jeunes chercheurs Condorcet 2016, 19 et 20 Janvier 2016, Reims, France

C. Lorreyte, J. Randrianalisoa, H. Pron, Modélisation du transport et de la cinétique thermique lors de la gazéification, de biomasse, Congrès français de Thermique, 31 mai au 3 juin 2016, Toulouse, France



Perspectives

Validation du modèle par les essais

Optimisation de la conversion d’énergie (utilisation d’un matériau support pour la biomasse)

Amélioration de la modélisation radiative dans le cadre de la collaboration avec le Pr. Lipinski (Australie)

Modèle et dispositif adaptables à d’autres applications (valorisation de matériaux pollués, par exemple)

Recherche de partenaires supplémentaires, académiques et industriels, en vue - de la caractérisation du biogaz produit,

mais aussi et surtout - du dépôt d’un projet de plus grande envergure (ANR,

appel d’offre ADEME…)



Merci de votre attention

[email protected]

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