Etudes expérimentale et numérique de la pyrolyse oxydante de la biomasse en lit fixe

Experimental and numerical studies of biomass oxidative pyrolysis in a fixed bed reactor

• Auteur / Autrice : Elias Daouk
• Direction : Camille Solliec, Sylvain Salvador
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 20/11/2015
• Etablissement(s) : Nantes, Ecole des Mines
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés - environnement - agroalimentaire / GEPEA - CIRAD
• Jury : Président / Présidente : Mathieu Pétrissans
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Van de Steene, Capucine Dupont, Frédéric Paviet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérald Debenest, W. P. M. van Swaaij

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réacteurs à lit fixe

Biomasse -- Combustion

Pyrolyse

Bois -- Gazéification

Mots clés libres

Gazéification étagée

Pyrolyse oxydante

Multi-échelle

Solides divisés

Analyse thermogravimétrique

Lit fixe

Biomasse

Modélisation multi-physique

Milieu continu

Modèle cinétique

Multi-stage gasification

Oxidative pyrolysis

Multi-scale

Particulate solids

Thermo-gravimetric analysis

Fixed bed

Biomass

Multi-physics modelling

Continuous medium

Kinetic model

Résumé

Les procédés de gazéification de bois à lits fixes étagés sont adaptés à la production d'électricité de petites puissances. Dans ces procédés, la pyrolyse est opérée dans un réacteur continu à lit fixe descendant. La particularité de ce type de réacteur est son fonctionnement autothermique. L'énergie nécessaire au chauffage, au séchage et à la pyrolyse est apportée par la combustion partielle du bois : on parle de “pyrolyse oxydante”. L'injection d'air par le haut du réacteur provoque la propagation d'une zone d'oxydation dans le milieu poreux à contre-courant des écoulements des solides et des gaz. Les travaux présentés dans ce manuscrit visent une meilleure description de cette étape du procédé. Le problème posé est de type multi-échelles. Ainsi, nous avons préalablement mené une étude à l'échelle de la particule isolée avant de s'intéresser au comportement global du lit fixe. A l'échelle de la particule, nous avons quantifié l'effet de l'oxygène et de la taille des particules sur la cinétique de la pyrolyse oxydante. Cette étude nous a guidés pour la mise en place d'un modèle cinétique de cette transformation. A l'échelle du lit fixe, la propagation de la zone d'oxydation a été caractérisée par des approches expérimentale et numérique, offrant ainsi une meilleure connaissance de cette étape du procédé étagé.

Wood Multi-staged gasification in a fixed bed reactor is suitable for small-scale electricity generation. In these processes, the pyrolysis is performed in a continuous downward fixed bed reactor. The main feature of this reactor is the autothermal operation. Energy for heating, drying and pyrolysis is supplied by partial combustion of wood, known as “oxidative pyrolysis”. The air introduced from the top of the reactor induces a combustion front that propagates countercurrent with the solids and gazes flows. The work presented in this document aimed to achieve a better description of this process. A multi-scale approach was considered. Therefore, we have firstly studied the behavior of an isolated particle before focusing on the overall fixed bed. At the particle scale, we have quantified the effect of oxygen and of particle size on the oxidative pyrolysis kinetics. This led us to the setup of a kinetic model for this transformation.At the fixed bed scale, the propagation of the combustion front was studied considering the experimental and numerical approaches, which provides a better understanding of this step of the wood staged gasifiers.