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Pyrolyse et combustion de solides pulvérisés sous forts gradients thermiques : Caractérisation de la dévolatilisation, des matières particulaires générées et modélisation
Résumé
Le charbon est l’une des ressources fossiles les plus économiques pour la production d’énergie. Cependant, il présente des inconvénients liés à l’impact environnemental lors de sa combustion qui produit CO2, principal gaz à effet de serre, ainsi que d’autres gaz et particules polluants et nocifs pour la santé.
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Afin de lutter contre ces effets, plusieurs procédés sont envisagés dont l’oxycombustion (possibilité de séquestrer CO2 en sortie du système de combustion) et la co-combustion charbon/biomasse sachant que le bilan carbone est neutre pour la biomasse. Pour caractériser ces procédés, un dispositif expérimental a été développé. Il s’agit d’un four à chute qui permet de reproduire en laboratoire les conditions expérimentales prévalant dans les chaudières industrielles dont une vitesse de chauffe des particules de l’ordre de 104 K s-1. Ce dispositif a permis d’étudier la réaction de dévolatilisation de différents solides pulvérisés (charbons, biomasse) à différentes températures (de 600 à 1400 °C). Pour comparer les procédés de combustion et d’oxycombustion, la dévolatilisation sous N2 (étape préliminaire à la combustion sous air) et sous CO2 (étape préliminaire à l’oxycombustion) a été étudiée pour différents charbons à différentes températures. Les résultats obtenus montrent que l’influence de l’atmosphère gazeuse sur la dévolatilisation du charbon n’est significative que pour des températures supérieures à 1200 °C. L’influence des différentes conditions opératoires sur les émissions de particules (PM2.5) issues de la combustion du charbon et de la biomasse a été évaluée et des corrélations sont mises en évidence entre l’intensité d’émission des particules et la nature du combustible, la température et l’atmosphère gazeuse. Une étude cinétique de la pyrolyse a été effectuée et les paramètres cinétiques correspondants déterminés par modélisation à partir de plusieurs schémas cinétiques réactionnels..Coal is the most economically attractive fossil fuel and the main resource used for electricity production. However, the main issue with coal combustion is the greenhouse gas as well as other gases and particulates matter leading to environmental and human concerns. In order to reduce the environmental impact of coal utilization, researches are conducted to improve the combustion process and to use other carbon-based fuels. The first approach includes the oxy-fuel combustion that can be coupled with Carbon Capture and Storage process (CCS). The second approach promotes the partial substitution of coal by carbon-neutral fuels, such as biomasses, which are promising fuels.For the evaluation of the application of these technologies, an experimental device was developed. This device is a drop tube furnace (DTF) in which high particle heating rate (approximately 104–105 K s−1) has to be achieved in order to characterize solid fuels under conditions similar to those taking place in power plant furnaces. DTF allowed to investigate pyrolysis reaction involving coal and/or biomass particles at different temperatures (600-1400 °C). The comparison between the oxy-combustion and the conventional air combustion process starts with the investigation of the pyrolysis step. The impact of N2 (for conventional air combustion) and CO2 (for oxy-fuel combustion) atmospheres during pyrolysis of different coals at different temperatures was investigated. Results showed that the coal devolatilization is influenced by the gas under which the fuel devolatilization is carried out (N2 or CO2) only at high temperatures (>1200 °C). The influence of different operating conditions on PM2.5 emission were experimented for coals or biomass, including combustion atmosphere (air or oxy-fuel conditions), particle residence time and temperature. A kinetic study of the pyrolysis was carried out and the corresponding kinetic parameters were determined by modeling from several kinetic reaction schemes.