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UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES COMME EXIGENCE PARTIELLE DE LA MAÎTRISE EN SCIENCE DE L'ÉNERGIE ET DES MATÉRIAUX OFFERT EN EXTENSION PAR L'INSTITUT NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE PAR JEAN-PHILIPPE JACQUES CONCEPTION D'UN RÉACTEUR À BIOMASSE POUR LA PRODUCTION D'HYDROGÈNE AOÛT 2011 Université du Québec à Trois-Rivières Service de la bibliothèque Avertissement L’auteur de ce mémoire ou de cette thèse a autorisé l’Université du Québec à Trois-Rivières à diffuser, à des fins non lucratives, une copie de son mémoire ou de sa thèse. Cette diffusion n’entraîne pas une renonciation de la part de l’auteur à ses droits de propriété intellectuelle, incluant le droit d’auteur, sur ce mémoire ou cette thèse. Notamment, la reproduction ou la publication de la totalité ou d’une partie importante de ce mémoire ou de cette thèse requiert son autorisation. ii Résumé L'objectif de ce projet est de produire de l'hydrogène gazeux de grande pureté sans production de gaz à effet de serre, le dioxyde de carbone (C02), avec de la biomasse renouvelable, soit des résidus cellulosiques. La technique de gazéification utilisée est une réaction chimique en milieu alcalin qui s'effectue à pression ambiante et à une température inférieure à 300 oc. Le principal avantage de ce procédé est que, théoriquement, tout le carbone constituant la biomasse se retrouve sous une forme solide, soit le carbonate de sodium (Na2C03), selon la réaction stœchiométrique suivante: (C6H IOOS)n + 12nNaOH + nH20 ~ 6nNa2C03 + 12nH2, où le C6H lOOS représente les résidus cellulosiques et le NaOH représente l'hydroxyde de sodium. Le taux d'humidité de la biomasse utilisée n'est pas important puisque la réaction s'effectue dans des conditions alcalines. Pour faire l'étude de ce procédé, nous avons conceptualisé un nouveau réacteur. Dans un premier temps, nous avons appliqué une couche antiadhésive sur les parois internes du réacteur afin d'empêcher les résidus goudronnés éventuels d'adhérer sur les parois et de faciliter également le nettoyage. Ce traitement n'a pas été efficace longtemps car il se détériorait à haute température. Par la suite, un système de mélange a été conçu pour favoriser la réaction. Le procédé n'a pas été fructueux car il occasionnait des fuites de gaz au niveau du joint d'étanchéité. Néanmoins, ces deux derniers résultats ont permis de tirer des conclusions sur le design éventuel d'un nouveau réacteur. Les résultats expérimentaux ont également montré que l'hydrogène d'une pureté supérieure à 99 % était obtenu en ne laissant aucune trace de monoxyde de carbone (CO) ou de dioxyde de carbone (C02) à des températures de 206 oC à 300 oC, mais avec des temps de résidence différents. La réaction a été particulièrement renforcée par l'addition d'un catalyseur de nickel à base d'aluminium et de silicium. (Ni/Al-Si). Les diagrammes de diffraction des rayons X ont révélé la présence de sous-produits solides de la réaction, du carbonate de sodium (Na2C03). III Remerciements Je désire tout d'abord remercier mes parents qui ont toujours insisté à ce que je reçoive une bonne éducation et qui m'ont encouragé tout au long de mes études. Je remercie également mon directeur le professeur Jean Hamelin amSI que mon codirecteur le professeur Simon Barnabé. Je remercie le Réseau H2Can (Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie) et Hydro-Québec pour avoir financé les recherches, de même que mes collègues de l'IRH pour leur aide. IV Table des matières Résumé ............................................................................................................................... iii Remerciements ................................................................................................................... iv Table des matières ............................................................................................................... v Liste des figures ............................................................................................................... viii Liste des tableaux .............................................................................................................. xii Introduction ......................................................................................................................... 1 Contexte .......................................................................................................................... 1 Structure du mémoire ...................................................................................................... 3 Chapitre 1 : Techniques de gazéification ............................................................................ 4 1.1 Description des différentes techniques de gazéification ........................................... 4 1.2 La pyrolyse ................................................................................................................ 5 1.3 Gazéification conventionnelle .................................................................................. 6 1.4 Conversion de la biomasse en milieu supercritique .................................................. 7 1.5 Conversion thermochimique en milieu alcalin ......................................................... 9 1.5.1 Energy Conversion Deviee ................................................................................ 9 Chapitre 2 : But et objectifs .............................................................................................. 15 Chapitre 3 : Matériel et méthodes ..................................................................................... 17 3.1 Stœchiométrie de la réaction ................................................................................... 17 3.2 Description des réactifs et des produits .................................................................. 18 3.2.1 Cellulose .......................................................................................................... 18 3.2.2 Catalyseur ........................................................................................................ 18 v 3.2.3 Hydroxyde de sodium ...................................................................................... 20 3.2.4 Analyse ............................................................................................................ 20 3.3 Montage .................................................................................................................. 21 3.3.1 Premier montage .............................................................................................. 21 3.3.2 Problèmes rencontrés avec le premier montage ............................................... 25 3.3.3 Deuxième montage .......................................................................................... 27 3.3.4 Problèmes rencontrés avec le deuxième montage ........................................... 31 3.3.5 Coûts ................................................................................................................ 32 Chapitre 4 : Résultats et discussion .................................................................................. 34 4.1 Manipulation 1 ........................................................................................................ 36 4.2 Manipulation 2 ........................................................................................................ 38 4.3 Manipulation 3 ........................................................................................................ 40 4.4 Manipulation 4 ........................................................................................................ 42 4.5 Manipulation 5 ....................................................................................................... 46 3.6 Manipulation 6 ....................................................................................................... 50 4.7 Manipulation 7 ....................................................................................................... 54 4.8 Manipulation 8 ....................................................................................................... 58 4.9 Manipulation 9 ....................................................................................................... 61 4.10 Manipulation 10 ................................................................................................... 64 4.11 Manipulation Il : Gazéification de copeaux de bois ........................................... 68 4.12 Manipulation 12 : Carton ciré .............................................................................. 73 4.13 Manipulation 13 : boues de dés encrage ............................................................... 77 4.14 Interprétation générale des résultats ...................................................................... 82 4.15 Bilan énergétique .................................................................................................. 86 vi Conclusion ........................................................................................................................ 90 Bibliographie ..................................................................................................................... 93 Appendice l : Dessin technique des réacteurs ................................................................... 96 VIL Liste des figures Figure 1.1 : Diagramme de production d 'H2 par pyrol yse, adapté de [5] et [8]. ................ 6 Figure 1.2 : Comparaison de la méthode conventionnelle de gazéification avec la méthode HyPr-RING ............................................................................................ 8 Figure 1.3 : Schémas décrivant les procédés BFR et de reformage conventionnel (SR) . 10 Figure 1.4 : Rendement de conversion d'H2 de la sciure de bois pour différentes températures ....................................................................................................... 12 Figure 1.5 : Conversion des différents composants de la biomasse par le procédé BFR à une température de 340 oC ................................................................................. 13 Figure 1.6 : Rendement de la conversion de différentes substances pour produire de l'H2 à une température de 260 oC dans un seul réacteur. ........................................... 14 Figure 3.1 : Formation d'H2 à partir de cellulose mélangé avec du NaOH et de l'eau avec différents catalyseurs supporté par du Ah03 ...................................................... 19 Figure 3.2 : FOffilation d'H2 et de CH4 à partir de cellulose mélangé avec du NaOH et de l'eau avec différents métaux précieux supporté par du Ah03 ............................ 19 Figure 3.3 : Schéma représentatif du système expérimental.. ........................................... 21 Figure 3.4 : Premier réacteur. ........................................................................................... 23 Figure 3.5 : Premier montage expérimental.. .................................................................... 25 Figure 3.6 : Joint d'étanchéité Garlock, joint usagé à gauche et joint neuf à droite ......... 27 Figure 3.7 : Modification de la boîte d'étanchéité et installation d'un orifice d'insertion des réactifs .......................................................................................................... 29 Figure 3.8 : Fixations du réacteur. .................................................................................... 29 Figure 3.9 : Réacteur modifié ........................................................................................... 30 Figure 3.10: Deuxième montage ...................................................................................... 31 Figure 4.1 : Graphique pour le calcul du coefficient B du Viriel pour l 'H2 .............. .. ..... 35 Figure 4.2 : Graphique le calcul du coefficient C du Virie1 pour l'H2 ..•........ ... .....•.......... 35 Figure 4.3 : Graphique de la pression exercée par l'argon présent dans le réacteur en fonction de la température .................................................................................. 36 VllI Figure 4.4 : Pourcentage d'H2 produit en fonction du temps pour la Manipulation 1 (T= 277-317 OC) .................................................................................................. 37 Figure 4.5 : Diagramme de détection par Micro GC des gaz pour la Manipulation 1.. .... 38 Figure 4.6 : Pourcentage d'H2 produit en fonction du temps pour la Manipulation 2 (T= 255-311 O C) .................................................................................................. 39 Figure 4.7 : Diagramme de détection par Micro GC des gaz pour la Manipulation 2 ...... 39 Figure 4.8 : Pourcentage d'H2 produit en fonction du temps pour la Manipulation 3 (T= 225-253 O C) .................................................................................................. 40 Figure 4.9 : Diagramme de détection par Micro GC des gaz pour la Manipulation 3 ...... 41 Figure 4.10 : Pression interne du réacteur en fonction de la température jusqu'à une température maximale de 300 oC (Manipulation 4) ........................................... 43 Figure 4.11 : Diagramme de détection par Micro GC des gaz pour la Manipulation 4 .... 44 Figure 4.12 : Patron de diffraction rayons-X pour la Manipulation 4 (T = 300 O C) ......... 45 Figure 4.13 : Pression interne du réacteur en fonction de la température jusqu'à une température maximale de 298 oC (Manipulation 5) ........................................... 47 Figure 4.l4 : Diagramme de détection par Micro GC des gaz pour la Manipulation 5 .... 47 Figure 4.15 : Patron de diffraction rayons-X pour la Manipulation 5 (T = 298 OC) ......... 49 Figure 4.l6 : Pression interne du réacteur en fonction de la température jusqu'à une température maximale de 264 oC (Manipulation 6) ........................................... 51 Figure 4.17 : Diagramme de détection par Micro GC des gaz pour la Manipulation 6 .... 51 Figure 4.18 : Patron de diffraction rayons-X pour la Manipulation 6 (T= 264 O C) ......... 53 Figure 4.l9 : Pression interne du réacteur en fonction de la température jusqu'à une température maximale de 261 °C (Manipulation 7) ........................................... 55 Figure 4.20 : Diagramme de détection par Micro GC des gaz pour la Manipulation 7 .... 55 Figure 4.21 : Patron de diffraction rayons-X pour la Manipulation 7 (T= 261°C) ......... 57 Figure 4.22 : Pression interne du réacteur en fonction de la température uploads/Finance/030275930.pdf