En Europe, la gazéification a vu le jour au cours du 19ème siècle, avec la production de "gaz de ville" utilisé pour l'éclairage urbain à partir de charbon minéral. Il faudra attendre les années 1920 pour voir apparaître le premier gazogène au bois développé par le français Georges Imbert. Ce dernier a inspiré bon nombre de constructeurs de véhicules à gazogène au cours de la seconde guerre mondiale pour pallier la pénurie de pétrole. L’intérêt pour cette technologie s’est vite arrêté à l’issue de la seconde guerre mondiale au profit d’un pétrole abondant et bon marché.

La gazéification, notamment de la biomasse, a regagné de l’intérêt depuis la fin du 20 ème et le début du 21ème siècle avec la prise de conscience des problèmes énergétiques et du changement climatique.

Principes de la gazéification

La gazéification est un procédé thermochimique qui converti un combustible solide (charbon, bois, paille, etc.) en un combustible gazeux et ce via l'injection en quantité réduite et contrôlée d'un agent oxydant (O2, air, CO2, vapeur d'eau...). Elle se distingue donc de la pyrolyse seule, opération thermique s’effectuant en l’absence d’agent oxydant, et de la combustion, qui s’effectue en présence abondante d’agent oxydant. La figure ci-contre schématise les différentes étapes du processus de gazéification

On distingue quatre grandes étapes :

  • une phase de séchage intégrée ou non au réacteur de gazéification,
  • une phase de pyrolyse qui produit, sous l’effet de la chaleur et en absence d’agent oxydant, des matières volatiles (CO, CO2, H2, CH4, H2Ovap et hydrocarbures gazeux appelés « goudrons ») et du charbon

Mécanismes de la gazéification

  • une phase de combustion, parfois appelée oxydation partielle, qui par injection d’un agent oxydant (air, O2, H2Ovap) oxyde les matières volatiles produites lors de la phase de pyrolyse et parfois une partie du charbon. Cette phase fourni la chaleur nécessaire à l’ensemble du procédé et détruit la fraction de goudrons.
  • une phase de gazéification proprement dite, appelée également réduction, étroitement liée à la phase de combustion qui par des réactions thermochimiques complexes convertit le charbon (carbone) en un gaz combustible riche en CO et H2 appelé « gaz de synthèse » ou « syngas » en anglais.

Ces quatre étapes sont toujours présentes mais leur déroulement et leur configuration spatiale et temporelle peuvent différer selon le mode d’introduction de la biomasse, l’agent gazéifiant et la technologie du réacteur. Elles peuvent avoir lieu dans un même réacteur ou dans des enceintes séparées dans le cas de la gazéification étagée.


Détails des mécanismes

La pyrolyse


La pyrolyse est, par définition, la décomposition de la matière organique sous l’effet de la chaleur en absence d’oxygène. Elle est encore appelée carbonisation, lorsque l’objectif est la production du charbon de bois.

Sous l'effet du chauffage, entre 300 et 700°C, des matières volatiles se forment à l'intérieur de la particule à partir de l'hydrogène, de l'oxygène et du carbone présents dans le combustible solide, puis sont évacuées. La biomasse se transforme alors, d’une part, en une partie solide appelée le « coke » (charbon) et, d’autre part, en une partie gazeuse (gaz de pyrolyse). La fraction volatile est constituée de gaz incondensables (CO, H2, CO2, CH4, C2H6, C3H8, C4H10) et de gaz condensables (eau, goudrons légers et lourds). La fraction solide est essentiellement constituée de carbone fixe et d'éventuels minéraux et métaux selon le combustible employé.

La figure ci-dessous présente les principales étapes de la pyrolyse traditionnelle du bois jusqu'à 400-500°C appelée également carbonisation.

X. DEGLISE et A. DONNOT, « Bois énergie », Tech. Ing. Nouv. Technol. Énerg. Renouvelables Stock., vol. base documentaire : TIB594DUO., no ref. article : be8535, 2015.

L'oxydation


La zone d’oxydation est le véritable cœur d’un gazogène à lit fixe. Elle est tout d’abord le siège de nombreuses réactions chimiques, notamment celles de combustion qui fournissent :

  • l’énergie nécessaire aux trois autres phases,
  • des agents gazéifiant (CO2 et H2Ovap), qui réagissent avec le coke lors de la phase de réduction pour former le gaz de synthèse.

Dans la plupart des gazogènes à lit fixe, une partie du coke présent dans la zone est oxydé avec les gaz de pyrolyse.

Le choix de l’oxydant est fondamental pour la conception du gazogène et dépend de l’utilisation finale du gaz. C’est essentiellement lui qui fixe le pouvoir calorifique du gaz final à la sortie du gazogène.

Dans la plupart des gazogènes à lit fixe, une partie du coke présent dans la zone est oxydé avec les gaz de pyrolyse.

Le choix de l’oxydant est fondamental pour la conception du gazogène et dépend de l’utilisation finale du gaz. C’est essentiellement lui qui fixe le pouvoir calorifique du gaz final à la sortie du gazogène.

De par sa simplicité d’utilisation, l’air est de très loin le plus employé en pratique, notamment dans le cas des gazogènes à lit fixe. La vapeur d’eau est parfois employée comme additif pour améliorer le PCI du syngas. Elle est rarement utilisée comme unique oxydant dans les installations de faible puissance.

La réduction


Dans la zone de réduction, le coke de pyrolyse est converti en gaz (« gazéification du charbon ») grâce à plusieurs réactions chimiques en compétition.

Dans le cas idéal, la totalité des gaz de pyrolyse est convertie en dioxyde de carbone et en vapeur d’eau lors de l’oxydation partielle. Si l’oxygène est absent, alors la gazéification peut être résumée à seulement deux réactions hétérogènes endothermiques :

  • Gazéification à la vapeur d’eau ou réaction de vapogazéification
    C + H2O --> CO + H2
  • Gazéification au dioxyde de carbone ou réaction de Boudouard
    C + CO2 --> 2CO

Ces deux réactions sont prépondérantes pour la production du gaz de synthèse et méritent une attention particulière. Par ailleurs, la réaction de gazéification du charbon de bois au dioxyde de carbone a une cinétique 2 à 5 fois plus lente que la réaction de gazéification à la vapeur d'eau. La température a une influence très significative sur la vitesse de gazéification. En effet cette dernière augmente d’un facteur 9 lorsque la température de gazéification passe de 800 à 1000°C.

Or, en réalité, tous les gaz de pyrolyse n’ont pas réagi avec l’oxygène lors de l’oxydation partielle. Leur présence augmente le nombre de réactions en compétitions du modèle chimique comme le montre le tableau ci-après :


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