Les Syngas ou gaz de synthèse
Production
combinée de chaleur et d'électricité
Le bio-methane de 2éme génération
PTC
System et la purification des Syngas de déchets
solides
La
« gazéification » désigne une
transformation thermochimique
consistant à décomposer par la
chaleur un solide combustible
carboné (charbon, biomasse) en
présence d’un réactif gazeux (gaz
carbonique, vapeur d’eau puis
oxygène/air) dans le but d’obtenir
un mélange gazeux combustible.
La réaction de gazéification se
passe dans des conditions de température
très élevées (plus de 1 000 °C).
Le gaz de synthèse obtenu à la
fin, appelé « syngas » est un
mélange de deux gaz combustibles
:
Le
monoxyde de carbone (CO) et l’hydrogène
(H2).
Les
"Syngas" également appelés gaz de
synthèse, gaz synthétiques ou gaz de gazogène,
peuvent être produits à partir de différentes
matières contenant du carbone.
Elles incluent notamment la biomasse (gaz
de bois), les matières plastiques, le charbon,
les déchets ménagers ou matières similaires.
Un syngas est un mélange gazeux combustible
produit par pyrolyse. C'est un gaz pauvre
et sale, toxique, acide, et corrosif s'il
n'a pas été soigneusement épuré.
Historiquement, les gaz de ville étaient utilisés
pour alimenter de nombreuses résidences en
Europe, et dans d’autres pays au cours du
20ème siècle.
Composition
moyenne des syngas:
|
Substance
|
Composition
(%)
|
|
Hydrogène
(H2)
|
20-40
|
|
Monoxyde
de carbone (CO)
|
35-40
|
|
Dioxyde
de carbone (CO2)
|
25-35
|
|
Méthane
(CH4)
|
0-15
|
|
Azote
(N2)
|
2-5
|
La
gazéification génère
de nombreux composés
dont on doit se débarrasser:
Goudrons, NOx, dioxines
et furanes, HCL, H2S, poussières,
mercure et autres composés
à l'état de
traces.
Ainsi
les constituants du syngas
à traiter sont :
-
l'acide
chlorhydrique (HCl)
-
-
le sulfure d’hydrogène
(H2S),
-
-
les
poussières – polluants
particulaires (solides/carbone,
liquides/aérosols, …),
-
-
les HAP (Hydrocarbures
aromatiques polycycliques),
-
les COV (Composés Organiques
Volatils),
-
les composés bromés et
iodés,
-
-
le
dioxyde de carbone (CO2),
-
les
inorganiques et les alcalins.
Le
tableau suivant présente
les formes sous lesquelles
les constituants sont présents
en milieu réducteur, comparés
à celles en milieu oxydant
(incinérateur par exemple)
:
|
Elément
|
Milieu
oxydant (combustion)
|
Milieu
Réducteur (gazéification)
|
| Soufre
|
SOx |
H2S
(majoritaire), COS,
CS2 |
| Azote |
NOx
|
N2,
HCN, NH3 |
| Chlore
|
HCl
|
HCl,
NaCl, KCl, PbCl2, … |
| Plomb |
PbO,
PbCl2 |
PbS,
PbCl2 |
| Mercure |
HgO,
HgCl2 |
Hg0
(majoritaire), HgCl2,
HgS |
-
Techniques
d’abattage au sein même
du gazéifieur:
Des absorbeurs ou des
catalyseurs sont mélangés
à la charge pour traiter
le H2S (ajout d’oxyde
de calcium) et les goudrons
(par réaction catalytique
avec la vapeur d’eau et
le CO2).
-
Techniques
d’abattage dans des équipements
connexes:
Filtration des poussières
(cyclones ou électrofiltres),
lavage à l’eau ou craquage
catalytique à haute température
pour l’abattage des goudrons,
l’abattage du H2S par
absorption (lavage chimique
ou solvant), capture du
HCL par lavage à l’eau
ou sur absorbant, captation
des métaux par charbon
actifs (mercure en particulier).
Un
verrou technologique commun aux syngas:
L'élimination des goudrons produits
lors de la pyrolyse de la biomasse (encrassements,
corrosion, désactivation des catalyseurs
de méthanation…)
Il existe un grand nombre de technologies
pour l’élimination des goudrons. On
rencontre couramment des solutions de
condensation et d’absorption des goudrons
au moyen d’un solvant organique par
exemple ou des systèmes de traitement
à haute température tels que des craqueurs
thermiques ou des vaporeformeurs.
Le
syngas est utilisé principalement :
-
Comme
source de production de chaleur
-
Comme
source de production d’électricité
par l’action du gaz sur des turbines
-
Comme
source de production d’hydrogène,
de méthanol et de méthane par traitement
chimique
-
Comme
source de production de carburant
de synthèse par le procédé Fischer-Tropsch
-
Production d'énergie renouvelable
-
Conversion
des déchets problématiques en combustibles
utiles
-
Production
économique d'énergie sur le site
et réduction des pertes de transmission
-
Réduction
des émissions de carbone
Comment
produit-on le syngas ?
Plusieurs
réactions successives sont
nécessaires. L’ensemble
de ce processus est appelé
gazéification.
Il nécessite, à partir d’une
matière organique, d’obtenir
au préalable dans le réacteur
de la vapeur d’eau (H2O)
et du carbone (C) et de
produire une chaleur suffisante
pour la réaction finale
de gazéification.
Quatre étapes successives,
fortement couplées, sont
nécessaires, la troisième
produisant la chaleur requise
par les trois autres.
-
1ère
étape : séchage de la
matière pour produire
de la vapeur d’eau
Cette étape se déroule
à des températures comprises
entre 100°C et 160°C.
Sous l’effet de la chaleur,
l’eau contenue dans la
matière organique s’évapore.
Le combustible carboné
résultant est sec et de
différentes natures (charbon,
biomasse, etc.). Dans
le cas de produits non
homogènes, une phase préalable
(tri, broyage) est nécessaire
avant d’introduire cet
intrant dans le gazéifieur.
-
2ème
étape : pyrolyse des intrants
pour obtenir du coke (résidus
de carbone) et des gaz
de pyrolyse
Cette étape sans oxygène
(anaérobie) se déroule
à des températures situées
entre 120 °C et 600 °C.
Elle est dite "autothermique"
car elle ne produit ni
ne consomme d’énergie.
En augmentant progressivement
la température en l’absence
d’oxygène, la matière
séchée se décompose et
les atomes de carbone
s’associent entre eux.
Il se forme alors du carbone
réducteur presque pur
(coke ou résidus de carbone)
et un mélange de gaz oxydants
non-condensables composés
majoritairement d’oxyde
de carbone (CO) et d’hydrocarbures
(CH4) appelés "gaz
de pyrolyse" ; des
goudrons et des matières
volatiles condensables
issues de vapeurs de composés
organiques (acides acétiques,
aldéhydes, etc...).
-
3ème étape :
oxydation des gaz de pyrolyse
pour générer une chaleur
suffisante à la gazéification
Cette étape se déroule
en présence d’oxygène
à des températures comprises
entre 1 200°C et 1 500°C.
Les matières volatiles
issues de la pyrolyse
s’oxydent. Cette combustion
dégage la chaleur nécessaire
aux deux étapes précédentes
et à l’étape suivante
de la gazéification. Elle
nécessite un fort apport
en oxygène.
-
4ème
étape : la réduction ou
« gazéification » du carbone
pour produire le syngas
Cette étape se déroule
à des températures comprises
entre 800 °C et 1200°
C. En l’absence d’oxygène,
le coke obtenu lors de
la phase de pyrolyse réduit
la vapeur d’eau et le
gaz carbonique obtenus
dans l’étape précédente
respectivement en hydrogène
et en oxyde de carbone
pour former du syngas,
combustible d'un mélange
en proportions variables
CO et H2.
Les
différents procédés de gazéification
Le
procédé à lit fixe, Il peut
être soit à co-courant soit
à contre-courant.
-
Procédé
à co-courant
Les différentes étapes
de la réaction de gazéification
sont successivement réalisées
de haut en bas dans le
réacteur.
La matière organique est
d’abord introduite à son
sommet.
De l’air est injecté à
mi-hauteur pour amorcer
la combustion et fournir
de la chaleur à l’ensemble
du réacteur.
L’augmentation progressive
de la température permet
d’obtenir les différentes
réactions entraînant
les gaz produits vers
la zone la plus chaude
du réacteur.
Le syngas est récupéré
au niveau du socle du
gazeifieur
-
Procédé
à contre-courant
L’air
est injecté à la
base du réacteur
et le syngas est
récupéré sous son
sommet, au dessus
de la zone de pyrolyse.
Les goudrons sont
moins nombreux à
s’échapper du réacteur
et l’encrassement
des conduits est
donc plus limité.
-
Le
procédé à lit
fluidisé statique.
Par ce procédé,
les particules
sont mises en
suspension dans
le réacteur
par injection
à sa base d’un
gaz qui va "soulever"
les grains.
Cela favorise
les échanges
thermiques et
massiques entre
le gaz et le
solide.
Dans ce type
de réacteur,
les différents
mécanismes de
séchage, pyrolyse,
combustion ou
oxydation ont
lieu dans une
seule et même
zone.
-
Le
procédé à lit fluidisé entraîné.
Le solide combustible carboné
est finement pulvérisé dans
un jet d'oxygène.
La réaction chimique s’effectue
à très haute température
et à pression élevée.
Cela empêche les goudrons
et le méthane de se former,
les gaz produits en sont
ainsi exempts. Le rendement
en gaz est donc élevé.
Cependant, le procédé à
lit fluidisé entraîné nécessite
une forte consommation en
oxygène.
Par ailleurs, le coût de
la pulvérisation préalable
du solide combustible carboné
est élevé car il faut obtenir
une biomasse ou du charbon
finement divisé.
Les
syngas à partir de
la biomasse
La
biomasse peut être utilisée
sous forme solide, liquide
ou gazeuse. La biomasse
liquide correspond aux effluents
d'élevage valorisés par
méthanisation mais aussi
aux biocarburants.
La biomasse gazeuse correspond
au gaz de synthèse (syngas)
issu du bois.
Le
syngas de bois
On distingue deux grands
types de ressources en bois
énergie : la ressource sylvicole
et la ressource industrielle.
A noter que lorsque l'on
parle de bois énergie, il
s'agit exclusivement de
bois "non traité".
Le
gisement des déchets de
bois est estimé à 14 millions
de tonnes en France.
Selon l'ADEME, 90% de ces
déchets sont valorisés et
49% font l'objet d'une valorisation
matière.
On distingue traditionnellement
trois sortes de bois:
-
Les
bois de classe A (bois
non traités), issus
des sous-produits de
la transformation du
bois brut, bois secs
non-traités et non peints,
palettes...
-
Les
bois de classe B (bois
faiblement traités),qui
rassemblent les panneaux,
les bois d'ameublement,
les bois de démolition
exempts de gravats,
les résidus d'exploitation
forestière (souches,
grumes etc.)
-
Les
bois de classe C traités
à la créosote (traverses
de chemin de fer, poteaux
téléphoniques...) ou
autoclavés et imprégnés
de sels métalliques
(piquets de vigne et
d'arboriculture, écrans
acoustiques, glissières
de sécurité...) nécessitent
des équipements adaptés
pour leur élimination
en raison notamment
des risques d'émission
dans l'atmosphère de
divers composés organiques
volatils polluants (HAP...)
et de métaux lourds
: ils sont détruits
en usine d'incinération
de déchets spéciaux
ou utilisés dans les
fours de cimenteries.
-
La
ressource
industrielle
La
ressource industrielle
est la moins importante
mais la plus sollicitée,
elle peut se répartir
en deux origines
:
-
Le
bois de
rebut
Le
bois de
rebut est
constitué
de produits
en fin de
vie (bois
d'emballage,
de déconstruction...)
Le gisement
est disponible
mais sa
valorisation
est difficile
car celui-ci
est diffus
ce qui rend
la collecte
difficile
et aussi
parce qu’il
peut contenir
des corps
métalliques,
plastiques
ou des souillures.
-
Les
sous-produits des industries
du bois
L’industrie
de première transformation
produit l’essentiel
des sous-produits industriels
sous forme d’écorces
ou de sciures. Le rendement
matière des industries
de la seconde transformation
du bois étant bien supérieur
à celui des scieries,
le gisement potentiel
en chutes est bien plus
faible, d’autant que
l’association du bois
à d’autres matériaux
rend impossible leur
valorisation en centrale
thermique.
Avec un taux d’humidité
de 40 à 60 %, la principale
valorisation des écorces
est la combustion en
chaudière de forte capacité
(> 1 MW).
Quant aux sciures de
bois, elles ont une
humidité équivalente
à celle du bois scié
(50 à 70 %).
Le
bois étant une des ressources
principale de la biomasse
solide, il occupe une place
importante dans la filière.
Les différents combustibles
bois
-
La
bûche
est
la
forme
la
plus
commune
du
bois
et
celle
qui
subit
le
moins
de
transformations.
Elle
est
utilisée
en
majeure
partie
par
les
particuliers
dans
des
inserts
ou
des
foyers
fermés,
des
poêles
et
des
chaudières
manuelles.
Afin
de
garantir
une
efficacité
maximale,
le
taux
d’humidité
de
la
bûche
doit
être
inférieur
à
22
%.
-
Le
granulé
Le
granulé
de
bois
résulte
de
la
compression
de
sciures
propres
issue
généralement
des
scieries.
Le
granulé
est
un
combustible
normé.
-
Le
bois
déchiqueté
Le
bois
déchiqueté
(sous
forme
de
plaquettes
de
quelques
centimètres
de
longueur)
a
plusieurs
origines:
-
Sous-produit
de
l’exploitation
forestière
et
arboricole
(branches,
houppiers,
rémanents…);
-
Sous-produit
non
souillés
des
industries
du
bois
(scieries,
emballages,
palettes,
cagettes,
etc.).
Les
syngas de déchets
solides
La
gazeification des déchets
industriels ou ménagers
dans une enceinte de traitement
en défaut d’air et enrichie
en vapeur d’eau et dioxyde
de carbone (agents réactionnels),
les matières volatiles émises
ne subiront pas de processus
de combustion.
Le carbone fixe se mettra
à réagir avec la vapeur
d’eau et le CO2, à des températures
de 850-900°C, dans des réactions
endothermiques de transformation
thermochimiques, dites de
gazéification, de type schématique:
| C
+ H2O —> CO
+ H2 (pyrolyse) |
C
+ CO —> 2CO
(gazéification) |
C
+ H2 —> CH4
(méthanation) |
Les
deux premières réactions
sont favorisées à haute
température (850-900°C)
et basse pression (~ 1 bar),
tandis que la dernière est
favorisée à basse température
(700°C) et haute pression
(10-20 bars).
Les
déchets solides sont
de provenances diverses
-
-
DIB
(Déchet industriel banal),
-
RBA
(Résidus de broyage
automobile),
-
-
Boues
de stations d'épuration
etc...
Syngas
et Biométhane
de 2ème
génération
Le biométhane
de 2ème
génération
sera produit
à partir de
biomasse ligno-cellulosique
(bois et paille)
par un procédé
appelé conversion
thermochimique
comprenant une
étape de gazéification
puis une étape
de méthanation.
La
gazéification
aboutit à l’obtention
d’un gaz pauvre
en méthane et
constitué d’un
mélange d’eau,
de monoxyde
de carbone (CO)
et de dioxyde
de carbone (CO2).
La méthanation
permettra d'enrichir
ce syngas.
Le
processus serait
une réduction
du CO et du
CO2 par H2 déjà
présent
lors de la fabrication
d'un syngas.
Chauffée
entre 800 et
1.000 degrés,
la biomasse
produit le syngas
dont les atomes
de carbone,
d'oxygène et
d'hydrogène
obtenus sont
recombinés par
le biais de
catalyseurs
pour former
un biogaz à
une très haute
quantité de
méthane (>97%).
la gazéification
suivie de la
méthanation
de la biomasse
n'étant pas
encore maîtrisées
technologiquement,
ce processus
est à l'état
de recherche
& développement.
La biomasse
utilisée étant
plus ligneuse
et moins humide
que celle pour
la méthanisation,
le biocarburant
obtenu possédera
un rendement
énergétique
plus élevé.
Ce nouveau biométhane
permettra de
traiter une
fraction de
coproduits issus
de diverses
industries et
filières (bois
de construction,
coproduits des
industries agroalimentaires,
boues de station
d’épuration,…).
Forte du patrimoine
forestier et
agricole français,
la filière biométhane
de gazéification
posséderai
un potentiel
de plus de 100
TWh/an à horizon
2020 et de plus
de 250 TWh/an
à horizon 2050.
La
méthanation
au service des
énergies renouvelables
Méthanisation
et méthanation
sont deux technologies
bien distinctes
-
La
méthanisation
est un procédé
industriel
qui tire parti
de la dégradation
de matière
organique
(plus précisément
de la fermentation
anaérobie)
afin de produire
du biogaz.
Ce biogaz
peut par la
suite être
utilisé dans
la production
de chaleur
ou d’électricité.
Cette technologie
est déjà largement
exploitée
et devrait
d’ailleurs
se développer
d’avantage
puisqu’elle
a un réel
rôle à jouer
dans la transition
énergétique.
-
La méthanation,
quant à elle,
a une tout
autre vocation.
En effet,
elle pourrait
permettre
le stockage
de l’énergie.
Comme on le
voyait dans
un précédent
article, le
stockage à
grande échelle
de l’énergie
est nécessaire
afin d’opérer
la transition
énergétique
vers un mix
d’avantage
décarboné.
Qu’il s’agisse
de stocker
l’énergie
produite par
les EnR afin
de la restituer
en consommation
de pointe
ou bien de
stocker l’énergie
nucléaire
quand nous
sommes en
surproduction,
cette solution
nous promet
des rendements
importants
et une méthode
fiable.
Il
s’agit d’abord
de produire
de l’hydrogène
puis de faire
réagir cet hydrogène
avec du dioxyde
de carbone dans
un réacteur
"catalytique".
Les deux piliers
de cette production
d’énergie sont
donc d’obtenir
l’hydrogène,
et la méthanation
catalytique
de l’hydrogène
et du dioxyde
de carbone qui
aboutit à la
production de
méthane.
Nous devons
d’ailleurs cette
découverte à
un chimiste
français, Paul
Sabatier, qui
formalisa il
y plus d’un
siècle les conditions
nécessaires
à la production
de méthane à
partir de la
réaction du
l’hydrogène
et du dioxyde
de carbone.
Ce procédé est
exploité depuis
de nombreuses
années dans
le secteur de
la chimie ou
par la NASA
pour produire
de l’eau sur
la station internationale.
Des
projets français
comme ElectroHgena,
piloté par Areva,
proposent, grâce
à des améliorations
technologiques,
des rendements
de l’ordre de
75%.
La méthanation
a pour avantage
de considérer
le gaz carbonique
comme une ressource
plutôt que comme
une contrainte,
et permet ainsi
de valoriser
le C02 en se
positionnant
comme une énergie
non génératrice
directe de gaz
à effet de serre.
Bien qu’elle
ne permette
pas de stocker
le CO2 cette
solution offre
en revanche
de récupérer
une énergie
qui aurait habituellement
été perdu, celle
des EnR quand
la production
n’est pas adaptée
à la demande,
et celle des
centrales nucléaires.
|
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