Notion de "lits"

Le « lit » représente la charge de déchets ou de biomasse. Cette charge peut être immobile (lit fixe), descendante, ascendante, fluidisée (cas de petites particules mélangée à un fluidisant de type sable) ou entraîné par le flux de gaz. Le flux de gaz peut aller dans le même sens que la charge de déchets ou bien en sens inverse. Le flux de gaz peut aussi être perpendiculaire par rapport au déchet. Au-delà de ces grandes catégories, il existe au sein de chacune de catégories un grand nombre de procédés de gazéification avec ses caractéristiques propres.

On parle généralement de :

  • Lit fixe à co-courant ou à contre-courant
  • Lits fluidisés
  • Lit à Flux entraîné

Lit fixe à contre courant (up-draft)

Dans ce type de réacteur, la biomasse et/ou le déchet est introduit par le haut et les gaz réactifs chauds sont injectés par le bas, circulant vers le haut, à contre courant de la matière. La température du gaz se refroidi au fur et à mesure de son ascension, créant des zones de températures :

  • Dans la partie basse du réacteur, qui est la plus chaude, se déroule la majorité des réactions de combustion
  • Plus haut, on retrouve la zone de gazéification et la présence des gaz réactifs.

Enfin dans la partie la plus haute du réacteur (la zone de basse température 500°C), les particules sont séchées et pyrolysées

Le syngaz sort par la partie supérieure et les cendres sont évacués en partie inférieure.

La technologie du lit fixe à contre-courant produit un syngaz fortement chargé en goudrons donc difficile à utiliser pour alimenter des moteurs à combustion interne et des turbines à gaz pour la production d'électricité. Cependant, le réacteur est robuste, son rendement est élevé, le gaz produit est généralement brûlé en chaudière ou dans un moteur à combustion externe pour la cogénération.

Schéma

Caractéristiques - Avantages - Inconvénients

  • Technologie relativement simple et robuste
  • Simplicité de construction
  • Technologie mature
  • Efficacité thermique élevée
  • Petite puissance (3-30) MWth
  • Temps de séjour de l’intrant : plusieurs heures
  • Flexibilité vis-à-vis de la granulométrie et du taux d’humidité pour la biomasse (30%)
  • Le combustible solide est converti en gaz et goudrons (forte teneur en goudrons)
  • Demande un traitement du gaz des goudrons.
  • Influence importante de la granulométrie
  • Mauvais contrôle de la température (points chauds) et mauvaise efficacité des transferts de chaleur et de masse
  • Condensation des gaz en sortie

Technologies utilisatrices : NEXTERRA - VOLUND - BIONNEER - SASOL -SHANXI - DCG

Lit fixe co-courant (down-draft)

Les réacteurs à co-courant ou downdraft sont classiquement constitués d'un réacteur vertical, dans lequel la biomasse et/ou les déchets sont introduits dans le haut du réacteur. L'agent comburant est classiquement injecté au milieu du réacteur. La pyrolyse se déroule dans la partie supérieure du réacteur, et génère un charbon (char) et des matières volatiles contenant principalement les goudrons. Celles-ci sont oxydées ou craquées dans la zone de combustion située au niveau de l'injection de l'agent comburant. L'étape de combustion produit des gaz de combustion qui vont réagir avec le charbon pour produire la réaction de gazéification proprement dite. Le principe du réacteur à co-courant est ancien, et dispose de l'avantage de produire un gaz à la sortie du réacteur avec une faible teneur en goudron. Différentes évolutions ont été mises en œuvre sur ce type de réacteur en mettant en place différents points d'injection de l'agent comburant et en séparant physiquement les différentes zones de réaction afin d'optimiser le processus et de pouvoir traiter des déchets à haute teneur en matière minérale.

Schéma

Caractéristiques - Avantages - Inconvénients

  • Technologie simple et robuste* Puissance limitée à 4 MWth entrant ou 1 MWe par module* Technologie mature* Temps de séjour de l’intrant : plusieurs heures* Faible teneur en goudron permettant la production d'électricité par cogénération,* Conversion du carbone inférieure à la technologie updraft,* Risque de fusion des cendres (sauf pour réacteur multi-étagé)* Les combustibles doivent avoir une teneur en humidité < 20% et une granulométrie grossière (éviter les fines).

Technologies Utilisatrices : XYLOWATT - FLUIDYNE - DTU - TKE - DELACOTTE - BIOMASS ENGINEERING - NIPPON STEEL

Lits fluidisés

Dans ce procédé, les déchets et/ou biomasse (intrants) sont dans un lit de matériaux inertes (sable, olivine….) où le gaz arrive suffisamment vite pour fluidiser les particules. Les matériaux du lit jouent un rôle important car ils améliorent le transfert thermique entre le gaz et l’intrant.

Le processus est relativement rapide, le temps de séjour du gaz est de l’ordre de quelques secondes.

On trouve principalement deux types de réacteurs à lit fluidisés :

Lit fluidisé simple (généralement bouillonnant)

Dans ce type de gazéifieur, le réactif gazeux est introduit par le bas et le syngaz sort par la partie haute, traversant un (ou plusieurs) cyclones afin de dépoussiérer le gaz. La vitesse de fluidisation est en général de 1 et 3 m/s.

Schéma

Caractéristiques - Avantages - Inconvénients

  • Puissance 5 à 150 MWth
  • Teneur en goudrons moins élevée que lit fixe up-draft
  • Température uniforme et bien maitrisée mais ne peut dépasser les 950°C pour éviter la fusion des cendres qui peut entrainer l’agglomération du lit
  • Pas de points chauds
  • Renouvellement du lit régulier pour éliminer les cendres
  • Temps de séjour du gaz : quelques secondes et quelques minutes pour le char
  • Maîtrise délicate de la hauteur du lit
  • Coût de construction élevé
  • Présence de particules dans le gaz (cendres, lit…)

Technologies utilisatrices : CARBONA - EPI - HTW - BIOSYN - ASCAB - EQTEC

Lit fluidisé circulant

Dans ce cas, les particules sont récupérées dans le cyclone et sont réintroduites. La vitesse de fluidisation est plus grande, typiquement entre 4 et 8 m/s.

Schéma

Avantages / Inconvénients

  • Puissance élevée 30 -600 MWth
  • Très bonne efficacité de transferts de chaleur et de masse
  • Bonne maitrise de la température
  • Faible teneur en goudrons
  • Bonne conversion du carbone
  • Humidité de l’intrant < 20%
  • Risque de fusion des cendres
  • Présence de particules dans les gaz
  • Coût de construction élevé

Technologies utilisatrices : LURGI CFB - FOSTER WhEELER - REPOTEC (FICFB) -TPS TEMISKA

Lit à flux entraîné

Le déchet et/ou la biomasse nécessitent un prétraitement spécifique. Pour le cas de la biomasse, elle doit être torréfiée et broyée finement ou transformée en huile de pyrolyse.
L’intrant est introduit par le haut, très rapidement et à forte vitesse dans le mélange gazeux réactif à travers la zone réactionnelle très chaude (1300°à 2000°C) qui se matérialise par une flamme.
Ce processus favorise la formation de CO, H2 et le vaporeformage du CH4 et la destruction des goudrons.

Schéma

Avantages / Inconvénients

  • Température et pression élevées
  • Puissance >300 MWth
  • Conversion du carbone très élevée> 99%
  • Equilibre thermodynamique atteint : Pas de CH4, pas de goudrons
  • Vitrification des cendres
  • Nécessite de la biomasse pulvérisée
  • Nécessité d’injection d’oxygène
  • Forte demande énergétique
  • Contrainte au niveau des matériaux due aux températures élevées

Technologies utilisatrices : SHELL - CHOREN - TEXACO - LURGI MPG

Autres procédés

D’autres procédés de pyrolyse et/ou gazéification sont également développés comme les fours tournants, les fours à plateaux, les gazéifieurs avec torche à plasma, les lits avec média caloporteur, les réacteurs à vis horizontale,…

Exigences sur les intrants

Exigences sur le combustible (par rapport au type de lit)



Co-courant

Contre –courant

Lit fluidisé

Lit entrainé

Granulométrie (mm)

20-100

5-100

1-10

< 1

Humidité (%wb)

< 15-20

< 50

< 40

< 15

Cendres (%db)

< 5

< 15

< 20

< 20

Point de fusions des cendres (°C)

> 1250

> 1000

> 1000

> 1250

Densité (kg/m3)

> 200

> 200

> 100

> 400

Puissance MWth

< 4

3-30

50-600

> 300

Application


Goudrons mg/Nm3

Particules mg/Nm3

Alcalins mg/Nm3

Ammoniaques mg/Nm3

Chlorures mg/Nm3

Sulfures mg/Nm3

Moteurs gaz

<50

< 50

<1 <50

<10 <100

Turbine gaz

<5

<30

Ppmv

Ppmv

Synthèse FT/Méthanol

<1

<0.02

Ppmv

Ppmv

PAC

<1

Ppmv

Source : Cirad