Modélisation et dimensionnement d’un étage haute température de dégradation des goudrons assistée par torche plasma Romain DEMARTHON Doctorant ANR Laboratoire de Thermique Energétique et Procédés Université de Pau et des Pays de l Adour

Plan de la présentation I – Procédé TURBOPLASMA 1- Description globale 2- Quelques caractéristiques 3- Objectifs II – Simulation CFD – FLUENT® 1- Schéma réactionnel 2- Modifications du schéma 3- Modèle CFD du TBPL 300kW III – Perspectives IV – Remerciements

I - Procédé TURBOPLASMA® 1- Description globale  Réacteur de craquage thermique des goudrons par assistance plasma Process CHO-Power

I - Procédé TURBOPLASMA® 1- Description globale Fonctionnement TURBOPLASMA®

I - Procédé TURBOPLASMA® 2- Quelques caractéristiques Torche plasma Torche à arc non-transféré P=300kW Température dard plasma ≈ 4000K Enthalpie moyenne 5-8 MJ/kg Gaz à traiter Gaz provenant d’un gazéifieur lit fluidisé Température ≈ 900K Présence de goudrons Particules solides en suspension

I - Procédé TURBOPLASMA® 3- Objectifs Objectif du dimensionnement: Optimiser la géométrie du réacteur Performances jugées en fonction de l’abattement des goudrons initialement présents dans le gaz DIMMENSIONNEMENT : - des grandeurs physiques géométriques des matériaux utilisés (propriétés) des conditions opératoires nominales

I - Procédé TURBOPLASMA® 3- Objectifs Objectif de la modélisation : Valider le modèle cinétique amélioré Comparatif entre résultats CFD et résultats expérimentaux  Courant 2012 … MODELISATION : Ajouts de nouvelles espèces chimiques Ajout phase discrète Changement de modèles numériques

II - Simulation CFD - FLUENT® 1- Schéma réactionnel Modélisation de dégradation des goudrons présents: 3 espèces modèles = Classe 2 - Benzène Classe 3 - Toluène Classe 4 - Naphtalène  Chaque classe de goudrons est représentée par une substance chimique représentative du comportement physico-physique de l’ensemble de chaque classe. Autres substances prises en compte : H2,CO, CO2, CH4, H2O, Suie...

II - Simulation CFD - FLUENT® 1- Schéma réactionnel Utilisation d’un schéma réactionnel existant A. Fourcault, « Modélisation d’un étage haute température alimenté par une torche à plasma pour la dégradation des goudrons présents dans les gaz de synthèse », Thèse de l’Université de Pau et des Pays de l’Adour, 2010.

II - Simulation CFD - FLUENT® 2- Modification du schéma Limite du modèle si Phase Continue seule  Ajout d’une phase discrète (Carbone solide) Modélisation de 3 réactions hétérogènes + Caractérisation physique des particules solides (granulométrie, porosité)

II - Simulation CFD - FLUENT® 3- Modèle CFD du TBPL 300kW Différentes étapes d’une simulation FLUENT

II - Simulation CFD - FLUENT® 3- Modèle CFD du TBPL 300kW Outils de pré-dimensionnement Module TORCH permet d’obtenir l’ensemble des grandeurs nécessaires pour modéliser la torche plasma Module CINE permet prédire la composition du gaz ainsi que ses propriétés physico-chimiques en sortie du réacteur (constantes équilibres). Le réacteur est considéré comme un réacteur batch parfaitement agité et adiabatique. … Définir le volume adéquate du réacteur

II - Simulation CFD - FLUENT® 3- Modèle CFD du TBPL 300kW  Découpage du réacteur en plusieurs zones pour faciliter le maillage des zones à fort gradient + Etudes de sensibilité sur les différents types de maillage possibles. (Compromis entre temps / précision du calcul)

II - Simulation CFD - FLUENT® 3- Modèle CFD du TBPL 300kW  Modélisation numérique : de l’écoulement du mélange gazeux des échanges thermiques internes / externes des zones réactionnelles de l’abattement global des goudrons

II - Simulation CFD - FLUENT® 3- Modèle CFD du TBPL 300kW Obtention de nouvelles données …  Trajectoires de particule  Comportement du carbone solide dans TBPL  Influence d’un REDLER (captage des particules)  Prédiction affinée du comportement réel du TBPL 300 kW

III - Perspectives Ajout de nouvelles espèces et donc de réactions homogènes (Acétylène, Ethylène, Ethane, Phénols, HPAs) La modélisation prendra donc en compte : La production de suies via des précurseurs (naphtalène) La polymérisation d’aromatiques simples en HPA (Pyrène, Phénanthrène) L’oxydation de aromatiques

III - Perspectives Autres évolutions potentielles :  Couplage CHEMKIN avec le modèle réactionnel  Insérer des nouvelles espèces intermédiaires  Seule la comparaison des résultats des simulations CFD aux résultats expérimentaux permettra une validation définitive du nouveau modèle réactionnel quant à la dégradation thermique des goudrons.

IV - Remerciements Ce travail a été effectué dans le cadre du “Programme National de Recherche sur les BioEnergies” de l’Agence Nationale de la Recherche (ANR 2009 BioE 004 02 “TURBOPLASMA”).

Merci de votre attention IV - Remerciements Merci de votre attention