La Gazéification : Technologies

Les mécanismes de gazéification se déroulent dans une enceinte fermée (réacteur) constituée d'acier et de réfractaire. On distingue aujourd’hui deux grandes catégories de réacteur de gazéification :

les réacteurs à lit fixe,
les réacteurs à lit fluidisé.

Le choix d'un type de procédé est guidé par différents paramètres tels que la consommation en combustible de l'installation (en kg/h) et donc la gamme de puissance, le combustible utilisé, l’application aval du gaz, ou encore la maturité des technologies.

Dans les procédés à contre-courant, l'alimentation en biomasse se fait en partie haute tandis que l'air est introduit par le bas. Les procédés à contre-courant ont l'avantage d'accepter des biomasses avec un taux d'humidité important. Par contre, le gaz produit est fortement chargé en goudrons formés lors de la phase de pyrolyse. En effet, ceux-ci ne traversant pas de zone chaude avant d'être évacués, il n'y a pas de possibilité de craquage thermique de ces goudrons. Leur concentration importante dans le gaz augmente son PCI à condition d’être valorisé dès la sortie du réacteur sans être refroidi.

Dans les procédés à co-courant, la biomasse et l'air sont tous deux introduits en partie haute du réacteur. La zone d'injection de l'air présente en général une restriction de diamètre pour créer des zones vides favorables à l'oxydation des matières volatiles. Dans un tel procédé, le gaz produit traverse la zone d'oxydation à haute température avant d'être évacué. Cette dernière favorise le craquage thermique des goudrons. La teneur en goudrons du gaz produit est donc beaucoup plus faible, rendant ce type de réacteurs plus adapté à la production d’électricité décentralisée, via un moteur à gaz généralement.

Cependant ces procédés sont plus contraignants envers la qualité et l’homogénéité du combustible et requièrent un réglage plus pointu.

Les procédés dits "double fire" (à double feu) sont une combinaison des procédés contre-courant et co-courant. En effet, les gazogènes co-courant ne permettent pas de convertir l'ensemble du coke présent dans la zone de réduction. Il reste toujours une fraction de carbone dans les cendres. Pour pallier ce problème, le procédé "double fire" rajoute une injection d'air en partie basse du réacteur. Cela crée une seconde zone d'oxydation qui oxyde entièrement la fraction de carbone résiduelle.

Le principe des procédés étagés est dérivé de celui des gazéifieurs à co-courant. Contrairement à ces derniers, les deux étapes principales de pyrolyse de la biomasse et gazéification du charbon sont réalisées dans deux réacteurs physiquement distincts.

Le premier réacteur est un réacteur de pyrolyse dans lequel la biomasse est séchée puis pyrolysée selon des conditions opératoires maîtrisées. Les matières volatiles produites sont entraînées vers le second réacteur où un faible apport d'air permet leur combustion. Les gaz chauds obtenus (vapeur d'eau et dioxyde de carbone entre 900 et 1100°C) réagissent avec le charbon produit lors de la pyrolyse pour générer le gaz de synthèse. Ce type de réacteur a l'avantage de permettre une conduite optimale des deux étapes de pyrolyse et d’oxydation/réduction. Elles peuvent être contrôlées séparément pour permettre de produire un gaz très peu chargé en goudrons (< 20 mg.Nm ^-3).

Dans ce type de réacteur, le combustible solide est fluidisé par l’introduction d’air à haute vitesse dans un lit. Ce dernier est constitué de particules de faible diamètre, comme du sable, pour améliorer la fluidisation. Le solide se comporte alors comme un fluide. Il en résulte une excellente homogénéité de température et de concentration des réactifs. Le convoyage du solide est en outre facilité. Cependant, la fluidisation n'est possible qu'avec des particules de petite taille (2 à 5 mm), ce qui nécessite généralement un broyage préalable de la biomasse.

Par ailleurs, le gaz produit est fortement chargé en particules, exigeant la mise en œuvre de traitements avant sa valorisation. Contrairement au lit fixe, la fluidisation permet l’utilisation de combustibles plus variés tels que les CSR (Combustibles Solides de Récupération). En revanche, sa complexité de mise en oeuvre le rend peu adapté aux installations de faible puissance.

Le combustible circule entre la zone de réaction et un cyclone séparateur où les cendres sont éliminées. La vitesse de fluidisation est plus élevée (4 à 6 m.s^-1), si bien qu'une partie des particules du lit est entraînée hors du réacteur. Un cyclone sépare la phase solide qui est ensuite réinjectée dans la zone de réaction. Comparé au procédé à lit fluidisé dense, le procédé à lit fluidisé circulant dispose d'une plus grande tolérance vis-à-vis du combustible. La plupart des procédés développés, actuellement à l'état de démonstration, sont basés sur le principe du lit fluidisé circulant.

Dans les réacteurs à lit entraîné le combustible est pulvérisé dans le flux gazeux d’agent gazéifiant. Ce dernier le maintient en suspension jusqu’à consommation complète. La vitesse de fluidisation (nettement supérieure à 6 m.s^-1) est telle que la vitesse des particules est proche de la vitesse des gaz. Cette technologie nécessite donc un combustible finement pulvérisé, en général du charbon. Elle est aussi difficile à contrôler. Les températures y sont élevées (1400 – 1600°C) et la cinétique de réaction est très rapide. Le temps de séjour dans le réacteur est de l’ordre de la seconde. La pression dans le réacteur est comprise entre 20 et 50 bars. Il en résulte un craquage complet des goudrons. Son très haut rendement, son faible impact environnemental et la forte puissance des installations (> 20 MWe) en font une des meilleures technologies pour convertir le charbon en électricité à grande échelle.

Les réacteurs à lit fixe

Les réacteurs à lit fluidisé