Séminaire de thermodynamique du 20 décembre 2002 Introduction au projet Megazo Merci à tous d’être présent! Aujourd’hui le séminaire porte sur le projet Megazo. L’objet du projet Megazo est le développement de gazogène permettant le développement d’unité de cogénération par gazéification du bois dans la gamme de puissance de 0,5 à 1,5 Mwe. Le projet megazo est un projet financé par la région wallonne pour une durée de 2,5 ans. Le promoteur du projet est le prof Joseph Martin. Le chef de projet Jean-Marie. Notre partenaire industriel dans la réalisation de ce projet est xylowatt. Promoteur : Pr. Joseph Martin Chef de projet : Jean-Marie Seynhaeve Assistant de recherche : Baptiste Buxant Partenaire industriel: Xylowatt

Plan de l’exposé introductif La gazéification Contexte Objet de la recherche Megazo Plan de travail Phase 1: Caractérisation - Matrice des essais Phase 2: Modélisation des foyers Phase 3: Étude et design d’un foyer 1MWe Phase 4: Réalisation du gazogène Voici le plan de cet exposé introductif. Nous commencerons par un bref rappel sur le principe de la gazéification. Ensuite nous verrons rapidement le contexte dans lequel nous nous situons au moment ou commence ce projet. Quelle est l’expérience acquise par l’unité en terme de gazéification….Les projets en cours… Le potentiel de développement de la gazéification en Belgique et ailleurs…les divers enjeux. A partir de la je pourrais définir de manière plus précise quel est l’objectif du projet de recherche megazo. Dans quelle problématique nous nous situons… Enfin, nous examinerons ensemble le plan de travail qui est prévu, essentiellement composé de 4 phases. Caractérisation/ Modélisation/Etude et design d’un foyer/Réalisation

La gazéification Input Bois de toute essence Conditions sur Granulométrie & Humidité Origine: rés. forestiers,rés. agricoles, scieries, cultures énergétiques, bois de démolition, bois contaminés. De l’air… Output Gaz combustible (CO, H2, CH4, CO2, N2, H2O) En aval du gazogène Moteur & Cogénération, Turbine, Chaudière Pîle à combustible La gazéification est un procédé thermochimique de conversion du combustible solide (le bois) en un combustible gazeux plus facilement utilisable dans une application ultérieure. Ce gaz peut par exemple être ensuite utilisé à des fin de production d’énergie électrique et thermique par cogénération. La gazéification se produit dans un gazogène. Un gazogène est un réacteur dans lequel se produit successivement: la pyrolyse du bois L’oxydation ou combustion des gaz produit de pyrolyse par l’air introduit. Enfin la réduction du gaz à haute température par le coke végétal résiduel. Les inputs sont donc de l’air et du bois, bois sur lequel on pose des condition de granulométrie et d’humidité pour le bon fonctionnent de la gazéification. Ce bois peut provenir de résidus forestier, agricole, cultures énergétiques ou des bois de démolition et des bois contaniés par des peintures et solvants

Contexte (1) A l’UCL: 10 années de recherche fondamentale Gazel (à Ophain) Regal (à l’ucl) Minigazogène (à l’ucl) Projets en cours : WW-Cogen, Mini-Cogen, Gazopile Xylowatt : spin-off UCL Gazogènes de 0,1 à 0,5 Mwe (1000 tep/an) Potentiel biomasse en Belgique: 1 million tep/an Peu valorisé Problèmes de débouchés Dans quel contexte le projet Megazo a vu le jour? Tout d’abord il est important de rappeler l’expérience du l’UCL dans le domaine de la gazéification. Nous avons une expérience de 10 années de recherches fondamentale. L’UCL a déjà notamment mené à bien deux projet d’installation de Gazogène. Le projet

Contexte (2) Enjeux environnementaux, sociaux et économiques Cependant… Limitation de la puissance Design du foyer critique (> 0,5 Mwe) Problème de répartition de l’air Gaz de pyrolyse air Il y a dans le développemnt de la gazéification une série d’enjeux environnementaux, sociaux et économiques dans le développement de la gazéification. Comme source d’énergie renouvelable la gazéification participe notamment à l’effort de réduction d’émission de gaz à effet de serre. Cependant, il y a une limitation en puissance dans le design des gazogènes. Pour des puissances supérieures à 0,5 Mwe le design du foyer devient critique. Si on augment le diamètre du foyer du gazogène sans étudier la répartition de l’air au sein de celui-ci on s’expose à une mauvaise gazéification. Une mauvaise répartition de l’air conduit à un bypass des produit de pyrolyse de la zône d’oxydation. Cela entraîne une détérioration du gaz et donc du rendement de conversion. Dans la figure 1, un design correct du foyer garantie un bon mélange des espèces. Ici j’ai représenté en rouge les gaz de pyrolyse et en bleu l’air. La pénétration de l’air est suffisante pour garantir l’oxydation de l’entièreté des gaz de pyrolyse. Dans la figure 2, l’élargissement exageré du foyer mêne à une situation non optimale ou une portion non négligeable de gaz de pyrolyse échappe à la zone d’oxydation. Cela est du à une mauvaise distribution de l’agent oxydant qui est l’air. Figure 1 Figure 2

Objet de la recherche Megazo Modélisation des foyers de gazogènes Écoulement des réactifs (gaz de pyrolyse, air) Écoulement du milieu poreux Equilibres & cinétique des réactions Simulation CFD des foyers Expérimentation sur maquette, validation Etude & Optimisation d’un gazogène 1Mwe Réalisation d’un prototype C’est face a cette problématique qu’il a été décidé de lancer un projet de recherche destiné à étudier, à modéliser la gazéification au sein du gazogène. Plus particulièrement la modélisation portera sur: l’écoulement des réactifs (gaz de pyrolyse, l’air) Ecoulement du milieu poreux Equilibres et la cinétique des réactions. Tout cela pour nous permettre de faire de la simulation aéraulique des foyers. Ce travail nous permettra d’entamer l’étude et l’optimisation du design des gazogènes de plus grande puissance.

Plan de l’exposé introductif La gazéification Contexte Objet de la recherche Megazo Plan de travail Phase 1: Caractérisation - Matrice des essais Phase 2: Modélisation des foyers, validation Phase 3: Étude et design d’un foyer 1MWe Phase 4: Réalisation du gazogène √ Maintenant que vous êtes introduit à la problématique qui motive le projet de recherche Megazo. Regardons ensemble quels sont les différentes phases de développement du projet, elle sont au nombre de 4. Phase 1: qui est la caractérisation des gazogènes existant. Je vous détaillerai la matrice d’essai qui est prévue. Ensuite la phase 2, modélisation des foyers. La phase 3 qui consiste à l’étude et le design d’un foyer de 3 Mw. La phase 4, la réalisation du gazogène.

Phase 1: Caractérisation (1) Etude de l’influence des paramètres fondamentaux Mise en évidence de lois d’homothétie ? Gazogène expérimental 30 kWe Gazogène REGAL 300 kWe Guidelines de design pour 1Mwe Apport de données pour les phases suivantes

Phase 1: Caractérisation (2) Matrice d’essais Paramètres Gazogène Expérimental / Gazogène REGAL Débit d’air Granulométrie du combustible Humidité du combustible Grandeurs mesurées Composition du gaz Teneur en goudrons Température du gaz Humidité du gaz

Phase 1: Caractérisation (3) Recherche du débit d’air nominal Granulométrie & humidité fixées Influence sur la gazéification de: Granulométrie du combustible Humidité du combustible Gazogène expérimental: 20 + 5 essais Gazogène REGAL : 20 + 5 essais Planning: Fin des essais: mai 2003 Durée 17 semaines 3 essais/semaine

Matrice d’essai du Gazogène expérimental

Phase 2: Modélisation du foyer Simulation CFD (Fluent) Modélisation de la pyrolyse Modélisation du matériau poreux Modélisation des écoulements (réactifs solides & gazeux) Simulations Validation sur maquette « froide » Comparaison avec résultats CFD

Phase 3: Design du foyer 1MWe Choix de configurations Foyer cylindrique Foyer annulaire Foyer à géométrie elliptique … Simulation CFD des configurations (Fluent) Simulations pour plusieurs conditions de fonctionnement Sélection et optimisation du meilleur design Vérification du design choisi sur maquette 1:1

Phase 4: Réalisation du gazogène Conception du gazogène pilote : Design complet du gazogène pilote (sans système d’épuration) Construction du gazogène et de ses périphériques Sous-traitance de la réalisation Localisation à définir… Caractérisation du gazogène pilote Puissance nominale Teneur en goudrons Influence granulométrie & humidité

Conclusions Nécessité de développer un modèle pour la gazéification Plan de travail Phase 1: Caractérisation Phase 2: Modélisation des foyers Phase 3: Étude et design d’un foyer 1MWe Phase 4: Réalisation du gazogène Je vais terminer en disant que, 1) Nous avons vu la nécessité qu’il y avait à développer un modèle pour la gazéification au sein des foyers. 2) Nous pouvons craindre que cette modélisation ne sera sans doute pas aisée du fait du nombre important de paramètres intervenant lors de la gazéification. Et pour rappel, voici les phases de développement du projet.

Phase 2: Modélisation du foyer Pyrolyse Sous l’effet de la température Bois Matières volatiles Coke végétal

Combustion Réduction Matières volatiles sous forme gazeuse Coke végétal sous forme solide Réduction

Pyrolyse : relâchement en fonction de la température

Pyrolyse : « chimie » à l’équilibre

Pyrolyse : évaluation de la composition 5 relations : 3 équations d’équilibre chimiques : f(T) bilan de masse : bois, matières volatiles, coke végétal = p(T) + (1-p(T)) somme des fractions molaires = 1

Géométrie des gazogènes REGAL

2D axisymétrique : Conditions aux limites - Maillage GAZ AIR

Modélisation du lit de particules de bois MILIEUX POREUX ERGUN 4 simulations en 2D axisymétrique : « BASIC » « VIDE » : D et C = 0 « VISQ » : C = 0 « TURB » : D = 0

Simulation 2D axisymétrique : BASIC « Vitesse »

Simulation 2D axisymétrique : BASIC Trajectoire

Simulation 2D axisymétrique : VIDE Trajectoire

Simulation 2D axisymétrique : VISQ Trajectoire

Simulation 2D axisymétrique : TURB Trajectoire

Simulation 2D axisymétrique : Faction massique Basic Vide Visq Turb

Simulation 2D axisymétrique : Température Basic Vide Visq Turb

Simulation 3D : MINIGAZO - REGAL VOIR FLUENT : MINIGAZO

Simulation 3D : MINIGAZO – Fraction massique

Simulation 3D : REGAL – Fraction massique

Simulation 3D : MINIGAZO – Température

Simulation 3D : REGAL – Température

Modélisations futures Conclusions - Influence importante de la nature du lit de particules de bois - Influence de la géométrie – Effet d’échelle - Imperfections de la modélisation Modélisations futures Simulation de la génération de chaleur « Combustion » - « Réduction » Simulation du dégagement des mat. vol. . Fonction de la température . Conduction dans le milieu poreux Caractéristiques du milieu poreux Etude de sensibilité