Modélisation, optimisation et extrapolation d’un réacteur solaire de gazéification de biomasse

Modelling, optimisation and scale up of a lab scale biomass solar gasifier

• Auteur / Autrice : Houssame Boujjat
• Direction : Stéphane Abanades, Sylvain Rodat, Valéry Vuillerme
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 10/11/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Guillain Mauviel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mustapha Gourma
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Claire Courson, Yann Rogaume

Mots clés

Mots clés contrôlés

Extrapolation

Simulation, Méthodes de

Biomasse -- Gazéification

Mots clés libres

Réacteur

Optimisation

Biomasse

Extrapolation

Solar gasifier

Optimisation

Extrapolation

Solar

Résumé

La présente thèse propose d’étudier un réacteur solaire à jet pour la gazéification de biomasse de l’échelle du laboratoire à l'échelle industrielle en combinant simulations numériques et expérimentations. Un modèle numérique multiphysique a été développé à l’aide du logiciel de CFD Fluent© pour simuler la gazéification de particules de bois à la vapeur dans le réacteur solaire. Le modèle développé tient compte de l’écoulement diphasique solide/gaz grâce à une approche DPM (Discrete Phase Modelling) en interaction avec le rayonnement et la chimie. Une étape de validation expérimentale à 1200°C a montré des rendements sur gaz froid supérieur à 1 grâce à la valorisation de l’énergie solaire et un taux de conversion du carbone approchant 80%. Le modèle a permis d’acquérir des informations clés sur le déroulement du processus de gazéification au sein de la cavité solaire et d’identifier des pistes d’amélioration du procédé. L’utilisation de matériaux de lit inertes en suspension dans la cavité s’est avérée judicieuse. Cette piste a été étudiée à la fois par simulation numérique grâce à une approche granulaire Eulérienne, puis sur banc expérimental à 1200°C et 1300°C. Une amélioration maximale relative du rendement carbone de 8% a ainsi été atteinte. L’un des obstacles critiques à l’extrapolation du réacteur est dû à la variabilité de l’énergie solaire qui entrave la continuité du procédé. Afin d’assurer une production continue de gaz indépendamment de la ressource solaire, l’hybridation du réacteur par oxy-combustion partielle de la charge a été étudiée. Il a été montré que l'injection contrôlée d'O2 durant les périodes de faible énergie solaire est une solution pertinente pour contrôler la température du procédé. Un modèle dynamique 0D a ensuite été développé pour prédire l’évolution de la température et la production de syngaz à l’échelle du MWth selon deux modes de chauffage : solaire et hybride solaire-combustion. Des simulations annuelles ont été par la suite réalisées pour prédire les performances du réacteur, la consommation des réactifs et les volumes de gaz produits. Ces données ont été utilisées pour analyser la faisabilité technico-économique du procédé pour la production industrielle de dihydrogène.

The present thesis proposes to study a novel spouted bed solar reactor for biomass thermochemical gasification from laboratory to industrial scale by combining numerical simulations and lab-scale experimentations. The main objective is to provide new insights into the reactor operation in order to improve its performance, flexibility and industrial integration. A multiphysics numerical model of the reactor was developed using the Fluent© software for the simulation of solar steam gasification of wood particles. The model takes into account the two-phase solid/gas flow using the DPM (Discrete Phase Modelling) approach in interaction with radiation and chemistry. An experimental validation step at 1200°C showed Cold Gas Efficiencies higher than 1 thanks to the efficient valorization of solar energy and a Carbon Conversion Efficiency approaching 80%. The simulations provided key information on the particles solar conversion within the solar cavity and allowed to identify paths for improving the conversion. The use of inert bed materials as a heat transfer medium inside the cavity appeared judicious. This solution was examined both numerically using a granular Eulerian approach, and experimentally at 1200°C and 1300°C. A maximum relative improvement of the carbon conversion efficiency by 8% was this way achieved. The variability of solar energy is one of the critical obstacles hindering the scale-up of the technology. In order to ensure a continuous syngas production whatever the solar resource, the solar reactor was hybridized thanks to partial feedstock oxy-combustion. The study showed that the injection of a controlled amount of O2 is a relevant solution to overcome solar energy variability and to control the reactor temperature. A dynamic 0D model was then developed to predict the temperature and syngas production evolution at MWth scale according to two heating modes: solar-only and hybrid solar-combustion. Annual simulations were subsequently performed to predict reactor performance, reactants consumption and gas production volumes. These data were used to analyze the technical and economic feasibility of the process for the industrial production of hydrogen.