Craquage thermique des vapeurs de pyrolyse-gazéification de la biomasse en réacteur parfaitement auto-agité par jets gazeux, Thermal cracking of biomass pyrolysis and gasification derived vapours in a continuous self stirred tank reactor

Sébastien Baumlin

Description

Sous la direction de Jacques Lede, Monique Ferrer
Thèse soutenue le 04 octobre 2006: INPL
ALes gaz issus des procédés de pyrolyse-gazéification de la biomasse doivent être épurés. Ils contiennent des vapeurs condensables (goudrons), des aérosols, des particules solides fines, des composés soufrés et des métaux alcalins qu’il s’agit d’éliminer avant leur utilisation sur des turbines (production d’électricité) ou comme gaz de synthèse. Les expériences rapportées dans ce travail concernent les vapeurs condensables et leur conversion par craquage thermique. Les vapeurs sont produites par pyrolyse de la biomasse dans un premier réacteur (RP) à 540°C. Elles sont ensuite craquées dans un réacteur parfaitement auto-agité par jets gazeux (RPAA) associé en série avec le RP. Le RPAA fonctionne à plus haute température (550-1030°C) et le temps de séjour de la phase gazeuse dans le craqueur est compris entre 0,1 et 1 s. Tous les produits de réaction (charbon, vapeurs condensables et gaz permanents) sont récupérés et analysés. Le RPAA étant uniforme en température et en concentration, la détermination de constantes de vitesse à temps de séjour donné est assez aisée à partir de bilans de matière en vapeurs et gaz. Des schémas réactionnels globaux rendant compte du craquage des vapeurs en gaz mais aussi de leur possible maturation en composés plus réfractaires sont proposés et leurs constantes de vitesse optimisées à partir des résultats expérimentaux. Ces modèles permettent de simuler le craquage thermique d’une charge type issue d’un gazogène. On détermine les conditions optimales de fonctionnement (température, temps de séjour) du réacteur de craquage qui aboutissent à une concentration en vapeurs condensables la plus faible possible. On comparera ainsi l’efficacité du craquage thermique à celle des autres procédés d’épuration des goudrons.
-Biomasse
-Goudrons
-Craquage thermique
-Réacteur parfaitement agité
-Génie des procédés
-Modélisation
-Énergies renouvelables
-Pyrolyse et gazéification
Pyrolysis and gasification processes give rise to gases containing by-products such as condensable vapors (tars), aerosols, dust, sulfur compounds and inorganics which may considerably lower the efficiency of catalysts (if chemical synthesis is foreseen) or cause severe damages to motors and turbines (in case of electricity production). Hence, efficient gas treatments are needed. The experiments reported in the present work are related to thermal cracking of condensable vapors. These vapors are produced in a first reactor by biomass pyrolysis (PR) at 540°C. They undergo further cracking in a second vessel, a continuous serf stirred tank reactor (CSSTR), assembled in series with the PR. The CSSTR is operated at temperatures ranging from 550 to 1030°C and gas phase mean residence times ranging from 0,1 to 1 s. Reaction products (char, condensable vapors and permanent gases) are recovered and analyzed. Temperature as well as composition are uniform at any point of the CSSTR. Therefore, it is easy to derive values of kinetic constants from mass balances at a given residence time. Global vapor cracking schemes including gas formation as well as possible maturation into more refractory compounds are proposed. Their kinetic constants are optimized from the experimental results. These models are used to simulate the thermal cracking of a typical load flowing out from a gasifier. Optimal operating conditions of the cracking reactor (in terms of temperature and residence time) are determined to reach the lowest condensable vapors concentration. Thus, efficiency of thermal cracking can be compared to other gas treatment processes.
-Biomass
-Tars
-Thermal cracking
-Continuous stirred tank reactor
-Chemical engineering
-Modelling
-Renewable energy
-Pyrolysis and gasification
Source: http://www.theses.fr/2006INPL041N/document

Sujets

• Biomasse
• Craquage thermique
• Génie chimique
• Modélisation
• Énergie renouvelable

Informations

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• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DES INDUSTRIES CHIMIQUES

LABORATOIRE DES SCIENCES DU GENIE CHIMIQUE

ECOLE DOCTORALE RP2E



THESE

Présentée à

l’Institut National Polytechnique de Lorraine

pour l’obtention du grade de

DOCTEUR DE L’INPL

Discipline : Génie des Procédés et des Produits

par

Sébastien BAUMLIN

Ingénieur de l’Ecole Nationale Supérieure des Industries Chimiques
INPL, Nancy (France)



Craquage thermique des vapeurs
de pyrolyse-gazéification de la biomasse
en réacteur parfaitement auto-agité par jets gazeux



Soutenue publiquement le 4 octobre 2006 devant la commission d’examen

MEMBRES DU JURY

Rapporteurs : M. S. SALVADOR
M. J.-V. WEBER

Examinateurs : M. H. BEWA
M. J.-L. DUPLAN
Mme M. FERRER (co-directrice de thèse)
M. J. LEDE (directeur de thèse)

Invité : M. G. BOISSONNET REMERCIEMENTS

Ce travail a été réalisé au sein du Laboratoire des Sciences du Génie Chimique dans le
Groupe Génie de la Réaction Chimique. Je remercie les directeurs successifs du laboratoire,
M. H.-G. Lintz et M. M. Sardin, de m’y avoir accueilli.

M. J. Lédé, Directeur de Recherche au CNRS et responsable de l’équipe Génie des
REActions Thermiques pour les Energies Renouvelables (GREATER), a accepté de diriger
cette thèse. Son expérience, son soutien sans faille et ses conseils quotidiens ont constitué
pour moi un grand apport non seulement scientifique mais surtout humain. Je tiens ici à lui
exprimer toute ma respectueuse reconnaissance pour son infinie disponibilité, l’intérêt et
l’enthousiasme avec lequel il a suivi mon travail. C’est un directeur de thèse passionné qui
m’a donné de précieux conseils et goût à la recherche. Qu’il soit aussi remercié pour ses
relectures méticuleuses du manuscrit.
Je tiens également à remercier Mme M. Ferrer, Maître de Conférence à l’ENSIC, pour le suivi
de mes travaux, pour sa disponibilité ainsi que pour ses conseils éclairés en modélisation. Je
la remercie aussi pour la relecture attentive de mon mémoire.

Ce projet a été co-financé par l’Institut Français du Pétrole (IFP) et l’Agence De
l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie (ADEME). Qu’ils en soient remerciés par
l’intermédiaire de M. E. Marty, M. J.-L. Duplan et M. H. Bewa. J’ai beaucoup apprécié leurs
conseils qui m’ont permis de progresser plus rapidement. Je tiens également à remercie M. G.
Boissonnet du CEA pour sa participation active aux réunions de mon comité de pilotage de
thèse et pour ses simulations thermodynamiques.

Je remercie M. S. Salvador, Professeur à l’Ecole des Mines d’Albi-Carmaux et M. J.-V.
Weber, Professeur à l’IUT de Metz - Saint-Avold d’avoir accepté de juger ce travail.

Une thèse n’est pas le fruit d’un seul Homme. C’est la mobilisation et le sens des
responsabilités de toute une équipe qui permettent d’obtenir un travail de qualité. Je tiens
donc à remercier l’ensemble du personnel du laboratoire qui a contribué, d’une façon ou
d’une autre, à la réalisation de ce projet et plus particulièrement :
- les membres de l’atelier qui m’ont apporté une aide précieuse pour la conception et la
construction du montage expérimental. Leur rapidité, leur efficacité et la qualité du service
« après-vente » sont indéniables ! Qu’au travers de René Lorrain et Pascal Beaurain,
responsables successifs, l’équipe entière soit remerciée.
- l’ensemble des services micro-électroniques et informatiques pour leur précieuse
expérience pluridisciplinaire.
- Raman Shina, responsable de la bibliothèque. Ses conseils en matière de recherche
bibliographique sont vitaux pour un thésard !
- l’équipe du secrétariat pour sa disponibilité et sa bonne humeur. Merci à Muriel Haudot et
à mes secondes Mamans ! Comment résoudre les tracas quotidiens sans elles…..
J’aimerais aussi remercier Jean-Pierre Corriou pour ses conseils en optimisation.

Merci également à toutes celles et ceux qui, d’une façon ou d’une autre, m’ont soutenu et
permis de passer des moments agréables au sein du laboratoire. Ma seconde famille est donc
composée de : François, Fatou Toutie, Stefanie, Maud, Jocelyn, Guillain, Frédéric, Olivier,
Rosanna, David, Sophie, Adeline, Stéphane, Akrama, Caroline, Cédric, Delphine, Eric,
François, Gabriel, Hervé, Huai-Zhi, François, Isabelle et Didier, Juan, Marie, Mohammed,
Reda, Eric, Dominique, Sabine, Souhila et Xavier.
- 2 - J’ai dû oublier certaines personnes qui, je l’espère, comprendront que c’est bien involontaire.

Une pensée sincère et affective pour les choristes de l’Ensemble Vocal Sine Nomine, plus
particulièrement pour Sophie et Jérôme, bienveillants malgré mes états d’âme. Merci.

Enfin, je ne saurais oublier ma famille, plus particulièrement mes parents et mon frère qui ont
su m’apporter, depuis l’Alsace que j’affectionne tant, un soutien précieux. Ce travail est aussi,
à sa façon, le leur. Je leur voue une gratitude infinie.
- 3 - RESUME

Les gaz issus des procédés de pyrolyse-gazéification de la biomasse doivent être épurés. Ils
contiennent des vapeurs condensables (goudrons), des aérosols, des particules solides fines,
des composés soufrés et des métaux alcalins qu’il s’agit d’éliminer avant leur utilisation sur
des turbines (production d’électricité) ou comme gaz de synthèse.
Les expériences rapportées dans ce travail concernent les vapeurs condensables et leur
conversion par craquage thermique. Les vapeurs sont produites par pyrolyse de la biomasse
dans un premier réacteur (RP) à 540°C. Elles sont ensuite craquées dans un réacteur
parfaitement auto-agité par jets gazeux (RPAA) associé en série avec le RP. Le RPAA
fonctionne à plus haute température (550-1030°C) et le temps de séjour de la phase gazeuse
dans le craqueur est compris entre 0,1 et 1 s. Tous les produits de réaction (charbon, vapeurs
condensables et gaz permanents) sont récupérés et analysés. Le RPAA étant uniforme en
température et en concentration, la détermination de constantes de vitesse à temps de séjour
donné est assez aisée à partir de bilans de matière en vapeurs et gaz.
Des schémas réactionnels globaux rendant compte du craquage des vapeurs en gaz mais aussi
de leur possible maturation en composés plus réfractaires sont proposés et leurs constantes de
vitesse optimisées à partir des résultats expérimentaux.
Ces modèles permettent de simuler le craquage thermique d’une charge type issue d’un
gazogène. On détermine les conditions optimales de fonctionnement (température, temps de
séjour) du réacteur de craquage qui aboutissent à une concentration en vapeurs condensables
la plus faible possible. On comparera ainsi l’efficacité du craquage thermique à celle des
autres procédés d’épuration des goudrons.
Mots clés : biomasse, goudrons, craquage thermique, réacteur parfaitement agité, génie des
procédés, modélisation, énergies renouvelables, pyrolyse et gazéification.

ABSTRACT

Pyrolysis and gasification processes give rise to gases containing by-products such as
condensable vapors (tars), aerosols, dust, sulfur compounds and inorganics which may
considerably lower the efficiency of catalysts (if chemical synthesis is foreseen) or cause
severe damages to motors and turbines (in case of electricity production). Hence, efficient gas
treatments are needed.
The experiments reported in the present work are related to thermal cracking of condensable
vapors. These vapors are produced in a first reactor by biomass pyrolysis (PR) at 540°C. They
undergo further cracking in a second vessel, a continuous serf stirred tank reactor (CSSTR),
assembled in series with the PR. The CSSTR is operated at temperatures ranging from 550 to
1030°C and gas phase mean residence times ranging from 0,1 to 1 s. Reaction products (char,
condensable vapors and permanent gases) are recovered and analyzed. Temperature as well as
composition are uniform at any point of the CSSTR. Therefore, it is easy to derive values of
kinetic constants from mass balances at a given residence time.
Global vapor cracking schemes including gas formation as well as possible maturation into
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