Etude expérimentale de pyrolyse et de vapogazéification des boues de STEP en réacteurs à lit fluidisé entre 700 et 900°C : comparaison avec les déchets boisés

Experimental study of pyrolysis and steam gasification of sewage sludge in fluidized bed reactors between 700 and 900 °C : comparison with woody wastes

• Auteur / Autrice : Sid Ahmed Kessas
• Direction : Mehrdji Hemati
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 12/12/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Nadine Le Bolay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mehrdji Hemati, Khashayar Saleh, Yann Rogaume, Jean-Michel Commandré, Yilmaz Kara
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Khashayar Saleh, Yann Rogaume

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz

Pyrolyse

Mots clés libres

Pyrolyse

Vapogazéification

Boues de STEP

Lit fluidisé dense

Caractérisation

Syngas

Pyrolysis

Steam gasification

Sewage sludge

Dense fluidized bed

Characterization

Syngas

Résumé

La gazéification des biomasses lignocellulosiques apparaît actuellement comme une solution technologique prometteuse permettant la production d’un gaz à haute valeur ajoutée, utilisable dans de nombreuses applications. Cependant, les tensions qui commencent à apparaître sur le marché du bois incitent les acteurs du secteur à se tourner vers d’autres ressources lignocellulosiques telles que les résidus agricoles, les déchets verts municipaux et les boues de STEP. Suivant les cas, ces déchets sont vus comme des effluents à traiter dont le coût peut être parfois nul ou négatif. L’objectif de ces travaux est de mieux comprendre et modéliser les phénomènes qui se déroulent lors de la gazéification des déchets (boues de STEP et déchets verts municipaux) en lit fluidisé. Dans un premier temps, sont présentés successivement une étude de caractérisation physico chimique et texturale des intrants utilisés ainsi que des chars issus de leur pyrolyse rapide ainsi qu’une étude cinétique portant sur l’influence de la température de pyrolyse et de la nature de l’intrant sur la réactivité de char. Dans un second temps, sont exposés les résultats obtenus lors de la pyrolyse et de la vapogazéification des déchets dans un pilote de pyrogazéification en lit fluidisé entre 700 et 900 °C. Les études paramétriques ont permis de mettre en évidence l’effet des paramètre opératoires (température, rapport massique H2O/intrant, nature de l’intrant et du média fluidisé) sur les performances de la gazéification et d’identifier les paramètres clés permettant de contrôler la composition ainsi que le taux de production du gaz de synthèse. Par ailleurs, à partir des résultats obtenus sont proposés des schémas réactionnels pour la pyrolyse des déchets entre 700 et 900 °C. Enfin, les résultats d’une étude de modélisation du réacteur de gazéification des déchets en lit fluidisé intégrant les réactions de pyrolyse, de vapogazéification du char, de water-gas shift et de reformage des goudrons sont présentés et comparés avec les résultats expérimentaux afin de mieux comprendre l’effet des paramètres opératoires sur les taux d’avancement de différentes réactions.

The gasification of lignocellulosic biomass is viewed as a promising technological solution for theproduction of a high value-added gas that could be used in several applications. However,emerging tensions in the wood market are prompting industrial actors to turn to otherlignocellulosic resources, such as agricultural residues, municipal green waste and sewage sludge(SS). Depending on the case, these wastes are considered as effluents with a zero or negativecost. The objective of this work is to better understand and model the phenomena that occurduring the gasification of sewage sludge and green wastes in a fluidized bed. Firstly, aphysicochemical and textural characterization study of the selected fuels and their chars resultingfrom their rapid pyrolysis as well as a kinetic study on the influence of the pyrolysis temperatureand the nature of solid fuel on the reactivity of char were presented. Then, the results obtainedduring the pyrolysis and steam gasification of wastes, in a fluidized bed gasification pilot plant, arepresented for temperatures ranging between 700 and 900 °C. Parametric studies allows to betterunderstand the effect of operating parameters (temperature, H2O/fuel mass ratio, the nature of thefuel and the kind of the fluidized medium) on the gasification performance and to identify the keyparameters that control the composition, as well as the syngas production yield. Moreover,reaction schemes are proposed based on the experimental results, for the pyrolysis of wastesbetween 700 and 900 °C. Finally, the results of a modelling study of the gasifier, integrating thereactions of pyrolysis, char steam gasification, water-gas shift and tar reforming are presented andcompared to the experimental results in order to better understand the effect of the operatingparameters on the conversion rate of different reactions