Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Unité de recherche BioWooEB – Biomass Wood Energy Bioproducts CIRAD - Centre de

Unité de recherche BioWooEB – Biomass Wood Energy Bioproducts CIRAD - Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement Mémoire pour l’obtention de l’Habilitation à Diriger des Recherches Université de Perpignan Via Domitia Section CNU 62 : Energétique et Génie des Procédés De la description fine de la gazéification en lit fixe à l'optimisation des procédés étagés Présenté par : Laurent VAN DE STEENE Date et lieu de soutenance : 13 Mai 2014, CIRAD, Montpellier Rapporteurs : Mehrdji HEMATI Professeur LGC-ENSIACET, Toulouse Frédéric MARIAS Professeur LATEP-ENSGTI, Pau Yann ROGAUME Professeur ENSTIB-LERMAB, Epinal Examinateurs : Hervé JEANMART Professeur IMMC-UCL, Louvain-La-Neuve Xavier PY Professeur PROMES, Perpignan Sylvain SALVADOR Professeur RAPSODEE–Mines Albi Philippe GIRARD Chercheur CIRAD, Hanoï 1 Sommaire AVANT PROPOS : QUELQUES MOTS SUR MON PARCOURS … 3 CURRICULUM VITAE DETAILLE 5 I. DIPLOMES ET EXPERIENCE PROFESSIONNELLE 5 II. ACTIVITES DE RECHERCHE 7 III. ACTIVITES D'EXPERTISE 11 IV. RESPONSABILITE ADMINISTRATIVE ET COLLECTIVE 12 V. ENSEIGNEMENT/FORMATION 13 VI. LISTE DES PUBLICATIONS SCIENTIFIQUES 14 CHAPITRE I : CONTEXTE, PROBLEMATIQUE INDUSTRIELLE ET POSITIONNEMENT SCIENTIFIQUE 19 I. CONTEXTE ET PROBLEMATIQUE INDUSTRIELLE 19 I.1. QU'EST CE QUE LA GAZEIFICATION ? 19 I.2. QUELLES TECHNOLOGIES EXISTENT ? 20 I.3. DEVELOPPEMENT INDUSTRIEL : OU EN EST-ON ? 22 II. POSITIONNEMENT INDUSTRIEL ET ENJEUX SCIENTIFIQUES 23 II.1. LES PROCEDES DE GAZEIFICATION ETAGEE 23 II.2. LES ENJEUX INDUSTRIELS 24 II.3. POSITIONNEMENT ET ENJEUX SCIENTIFIQUES 25 CHAPITRE II : GAZEIFICATION D'UNE PARTICULE DE CHARBON ISOLEE 29 I. DESCRIPTION 29 II. OUTILS ET METHODOLOGIE 32 II.1. REACTEUR D'ANALYSE MACRO-THERMOGRAVIMETRIQUE 32 II.2. MODELE PARTICULE 33 III. APPLICATION A UN CAS SIMPLE : PARTICULE SPHERIQUE DE CHAR DANS UNE ATMOSPHERE DE VAPEUR D'EAU 35 IV. VERS UNE DESCRIPTION PLUS FINE DES PHENOMENES 37 IV.1. LA FRAGMENTATION PERIPHERIQUE 37 IV.2. IMPACT DES CONDITIONS DE PYROLYSE 38 IV.3. MEILLEURE DESCRIPTION DE LA SURFACE REACTIVE : NOTION DE FONCTION DE SURFACE 40 IV.4. LA GEOMETRIE ET LA TAILLES DES PARTICULES 42 IV.5. ATMOSPHERE SIMPLE ET ATMOSPHERE MIXTE 43 IV.6. SIMPLIFICATION : DETERMINATION DE FONCTIONS "CINETIQUE APPARENTE" 45 V. SYNTHESE 48 2 CHAPITRE III : GAZEIFICATION DE CHARBON EN LIT FIXE CONTINU 49 I. CARACTERISATION FINE DU LIT FIXE 49 I.1. CONCEPTION D'UN REACTEUR ORIGINAL DE RECHERCHE 49 I.2. QUELLES SONT LES CONTRIBUTIONS DES PRINCIPALES REACTIONS MISES EN JEU SUR LES PRODUCTIONS/CONSOMMATIONS D'ESPECES ET D'ENERGIE ? 52 I.3. COMMENT EVOLUENT LES GRANDEURS PHYSIQUES LE LONG DU LIT DE CHARBON ? 54 I.4. LE TASSEMENT DU LIT PENDANT LA GAZEIFICATION 56 II. MODELISATION 60 II.1. DESCRIPTION DU MODELE NUMERIQUE 60 II.2. CONFRONTATION MODELE/EXPERIENCE 62 II.3. APPLICATION DU MODELE A L'OPTIMISATION D'UN REACTEUR INDUSTRIEL 65 III. SYNTHESE 67 BILAN ET PROJET 69 I. PYROLYSE OXYDANTE DE BIOMASSE EN LIT FIXE CONTINU 70 II. COMPORTEMENT DE GRANULES DE MELANGES DE BIOMASSE 73 III. GAZEIFICATION POUR LES PAYS DU SUD : REDUCTION D'ECHELLE 74 REFERENCES 77 3 Avant propos : quelques mots sur mon parcours … Ma première expérience en recherche remonte à Janvier-Juin 1995, période durant laquelle, dans le cadre de mon DEA, j'ai réalisé un stage au LESETH (Laboratoire Etude des Systèmes et de l'Environnement Thermique de l'Homme) sur les échanges de chaleur peau-environnement à travers le vêtement. Au-delà d'une valorisation concrète de ma formation initiale en transferts thermiques et mécanique des fluides, ce stage fut surtout un premier contact avec la modélisation expérimentale. En effet, il visait à reproduire à l'échelle du laboratoire les mécanismes mis en jeu dans le système peau-environnement et à mesurer les flux thermiques échangés. En octobre 1995, je démarre un doctorat au Centre Energétique et Environnement de l’Ecole des Mines d’Albi Carmaux (EMAC) sous la direction de Georges Charnay, Directeur de Recherche à l'Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, et la co-direction de Sylvain Salvador, maître assistant à l’EMAC. Cette thèse, menée dans le cadre d'une convention CIFRE avec le groupe Technip (Lyon), ingénieriste en Cimenterie, s'intitule "Thermochimie de la combustion à basses températures de solides pulvérisés : Application à un charbon". Les travaux s'inscrivaient dans un contexte industriel fort dont l'enjeu était d'élargir la gamme de combustibles solides valorisables dans les précalcinateurs de cimenterie. Une particularité de ces réacteurs est que la combustion est opérée dans une plage de températures basses, de 800 à 1000°C. Ce domaine de températures de combustion n'avait été que très peu étudié auparavant : les températures de flamme habituelles s'inscrivent dans la plage 1200 à 2000 °C. Les modèles numériques existants ne sont pas applicables, car la situation thermochimique est très différente de celle qui règne dans les flammes. Les objectifs scientifiques de ces travaux étaient d'apporter une compréhension des phénomènes thermiques, chimiques et aérodynamiques qui interviennent dans la combustion d'un charbon minéral, en identifiant les mécanismes limitants, et de développer un outil permettant d'estimer la qualité d'un combustible avant une utilisation en cimenterie. Ainsi pour répondre à ces questions, nous avons conçu et développé le Réacteur à Flux Entrainé (RFE) de l'EMAC, qui constitue aujourd'hui encore un réacteur de référence en France dans le domaine du génie des procédés thermochimiques. Ce réacteur nous a permis de caractériser le comportement thermochimique de particules de charbon pulvérisées en termes de cinétiques des réactions de dévolatilisation et d'oxydation du char dans les conditions opératoires des précalcinateurs. Par ailleurs nous avons développé un modèle numérique capable de décrire la combustion d'une particule isolée et d'étudier la contribution de chaque phénomène et réaction ainsi que les couplages mis en jeu. En parallèle à ces travaux de recherche, une unité pilote reproduisant à échelle réduite les différentes étapes du procédé de précalcination, a été dimensionnée et conçue (jusqu'aux plans de fabrication). L'unité pilote, d’une puissance thermique de 300 kW, devait permettre de traiter 300 kg/h de cru de cimenterie et d’étudier l’aptitude à une combustion propre et complète de nouveaux combustibles. Cette expérience en engineering fut pour moi extrêmement riche et essentielle dans la poursuite de ma carrière. En février 2000, Philippe Girard m'accueille au CIRAD dans son laboratoire "Biomasse, Energie, et Environnement". Je découvre alors deux nouveaux termes qui allaient guider toute la suite de ma carrière jusqu'à aujourd'hui : "biomasse" et "gazéification". Dans le cadre d'un contrat post-doctoral, je coordonne 4 un projet européen de conception et réalisation d'un procédé de gazéification étagé à 3 réacteurs. J'ai en charge la coordination technique du projet et les aspects engineering. Mes activités recherche sont alors relativement restreintes et consistent essentiellement à une poursuite de mes travaux de thèse mais appliqués aux réactions de gazéification et à la biomasse (paille de blé, balle de riz, écorce de bois). En 2001, je suis recruté comme chercheur au CIRAD, pour y développer des activités de recherche en gazéification de biomasse. L'effectif de l'équipe est alors très faible puisqu'il compte seulement 4 chercheurs et 1 ingénieur. De 2001 à 2003, je poursuis mon implication forte dans des projets européens aussi bien dans le montage que le suivi, et intègre le réseau européen GasNet (Gasification Network). Ces activités me permettent d'acquérir une expertise industrielle en gazéification de biomasse, expertise qui sera ensuite largement approfondie et valorisée dans la suite de ma carrière. En parallèle, une campagne de recrutement importante démarre avec dans les 8 années qui suivirent, l'accueil dans notre équipe de 5 nouveaux chercheurs et 3 techniciens. En 2003, je recrute ma première doctorante, Floriane Mermoud, et démarre véritablement avec elle mon projet de recherche sur la compréhension des procédés de gazéification à lit fixe étagé. C'est aussi un nouveau partenariat scientifique fort qui se crée entre le CIRAD et L'EMAC, puisque Sylvain Salvador assurera la direction de cette thèse, et un grand nombre de celles qui suivront. Ensuite, pendant 10 ans, jusqu'à aujourd'hui, cinq doctorants (Jean Philippe Tagutchou, Gabriel Teixeira, Mathieu Milhé, Ferdinand Fassinou, et Elias Daouk) se sont succédés et m'ont permis, avec l'aide précieuse de nos trois techniciens/ingénieurs (Eric Martin, Ghislaine Volle, et Jérémy Valette) de porter haut cette thématique de recherche dans notre unité. Ce manuscrit d'HDR présente les avancées scientifiques qu'ont permises ces travaux de recherche menés au CIRAD dans le domaine de la gazéification de biomasse, en partenariat scientifique avec Sylvain Salvador de l'école des Mines-Albi. Il convient de préciser que ces travaux ont toujours été orientés vers une recherche appliquée, encouragée par des projets industriels qui ont accompagné chaque thèse. Et la reconnaissance aujourd'hui de nos activités de recherche dans le paysage français et européen est liée à ce positionnement, entre recherche académique et recherche industrielle. 5 Curriculum vitae détaillé I. Diplômes et expérience professionnelle I.1.1. ETAT CIVIL Laurent VAN DE STEENE Né le 27/11/72 à Toulouse (31) Nationalité française Situation : Pacsé, deux enfants Domicile : 138 rue du jeu de mail des abbés, 34000 Montpellier Tél. : 04 67 61 65 22 ; Secrétariat : 04 67 61 59 05 ; steene@cirad.fr I.1.2. DIPLOMES Déc. 1999 Doctorat en Energétique et Transferts (Institut National Polytechnique de Toulouse (INPT) / Ecole des Mines d'Albi-Carmaux (EMAC) / Technip Europe). Juil. 1995 Diplôme d'Etudes Approfondies - Systèmes énergétiques : du procédé au matériau. Université Paul Sabatier (Toulouse) / Université de Perpignan / INSA de Toulouse. Juin 1994 Licence et Maîtrise uploads/Science et Technologie/lit-fixe.pdf