Etudes numérique et expérimentale de la synthèse de biogaz : vers la transformation thermochimique solaire de copeaux de bois

Numerical and experimental studies of biogas synthesis : toward a thermochemical conversion of wood chips

• Auteur / Autrice : Clarisse Lorreyte
• Direction : Hervé Pron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences - STS
• Date : Soutenance le 15/12/2017
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques Physique Sciences du Numérique et de l'Ingénieur (Reims ; 2018-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de Recherche en Sciences Pour l’Ingénieur (GRESPI) EA 4694 (Reims, Marne)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sophia Haussener, Éric Maire, Yann Rogaume, Jaona Harifidy Randrianalisoa, Thierry Duvaut
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Edmond Abi Aad, Frédéric Topin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie solaire -- Recherche

Bois -- Gazéification

Traitement thermochimique

Copeaux de bois

Biogaz

Mots clés libres

Caractérisation

Copeaux de bois

Pyrolyse

Gazéification

Simulation numérique

Expéreince

Characterisation

Biomass

Wood chips

Pyrolysis

Gasification

Comparison model/experimental

Résumé

La gazéification de biomasse lignocellulosique en biogaz fait partie des technologies attractives permettant de s’affranchir des énergies fossiles et de valoriser les déchets agricoles ou forestiers. Néanmoins, le développement de cette technologie est freiné par son rendement énergétique faible et la production de polluants (CO2, NOx…). La pyrolyse/gazéification par voie solaire permettrait alors de pallier certains de ces inconvénients (énergie propre et gratuite, process à haute température produisant moins de polluants). Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de développer une approche expérimentale et numérique afin de maîtriser les procédés de pyrolyse/gazéification de copeaux de bois pour mieux appréhender le développement de la gazéification solaire. D’abord, un travail détaillé de caractérisation des copeaux de bois a été réalisé, alliant diverses analyses des échantillons mais aussi des analyses basées sur l’utilisation d’images tomographiques au rayon X pour déterminer les propriétés morphologiques et, par simulation numérique, les propriétés effectives de transport des copeaux de bois. Ensuite, des essais avec un four-réacteur à échelle laboratoire ont été réalisés pour étudier le séchage, la pyrolyse et la gazéification des copeaux de bois. Ces essais nous ont permis d’étudier l’influence de paramètres comme la température en séchage et en pyrolyse ou le débit de vapeur d’eau en gazéification. En parallèle, un modèle multi-physique pour la simulation de la pyrolyse a été développé. Cet outil a permis une étude détaillé des phénomènes mis en jeu et, in fine, permettrait d’optimiser le système. Enfin, le design d’un gazéifieur solaire a été réalisé.

Thermochemical conversion of lignocellulosic biomass belongs to attractive technologies which are viable routes to reduce reliance on fossil energy and to enhance carbon conversion efficiency. Nevertheless, classical gasification process via autothermal combustion of biomass presents severe drawbacks as bad yield and produced important pollutants. Solar concentrated energy enables high temperature reactions with reduced contaminating gas and higher yield. In this context, this thesis aims at developing experimental and numerical approaches to study detailed mechanism of pyrolysis and gasification processes of wood chips packed bed which are key step toward designing efficient solar gasifier. In a first time, inner properties of wood (initial composition and thermal decomposition) were studied via ultimate and proximate analyzes. Structural and morphological properties of wood chips were computed using image analysis. Effective mass and heat transport properties of the packed bed were assessed via direct numerical simulation combined with X-ray tomographic images. Then a laboratory scale device enabling to characterize pyrolysis and gasification kinetics and gas production was developed. The aim of this experimental work was to understand the impact of parameters such as drying and pyrolysis temperatures, and the steam flow rate during gasification. A multiphysical model of pyrolysis of wood chips packed bed was also developed. It allowed to perform detailed study of pyrolysis physics and in fine it will allow optimizing the pyrolysis/gasification process. Finally, a first design for a solar gasifier was reported and constitutes the basis of further studies.