Modèle de gazéifieur à courants croisés
Cette activité s'est déroulée en parallèle à la thèse d'Alexandre Deydier (T7 Modélisation d’un réacteur de gazéification en lit fixe) en collaboration avec la société Europlasma. L'objectif recherché dans le cadre de ce travail était de prédire la composition du gaz généré par la gazéification d'une charge organique dans le cas du réacteur de gazéification au coeur du procédé CHO_Power
Procédé CHO_Power.
Compte tenu de l'architecture du réacteur et plus précisement de son découpage en deux chambres distinctes, le modèle développé repose sur une juxtaposition de deux étages: le premier qui correspond à l'opération de séchage, et le deuxième à la section de gazéification. Par ailleurs, compte tenu également de l'existence de deux admissions différentes pour l'agent de gazéification (pouvant être utilisées avec des composition gazeuses, des températures et/ou des débits différents), un découpage artificiel a été mis en place afin de prendre en compte cette spécificité.
Schématisation utilisée pour la modélisation.
Pour chacune de ces sections, une des problématiques réside dans la description des phénomènes se déroulant au sein du milieu poreux réactif en translation sur le plan de grille du réacteur. Afin de modéliser ces phénomènes, la technique d'homogénéisation par prise de moyenne volumique a été utilisée. Les différentes équations de conservation de la masse, des espèces, de la quantité de mouvement et de l'énergie ont en premier lieu été écrites à l'échelle des phases, puis moyénnées sur un volume élemntaire représentatif.
Représentation de la méthode d'homogénéisation.
Dans la première version de ce travail, les processus se déroulant dans chacun
des lits poreux sont décrits grâce à un formalise monodimensionnel: les
différentes propriétés du lit ne dépendent que de leur position par rapport
à l'entrée du réacteur. Dans la premièr section (séchage) l'énergie requise
pour l'évaporation de l'eau est apportée par l'agent de séchage, amené sous la
grille et qui percole le lit. Lorsque cet agent, chargé en eau, quitte le lit, pour
rejoindre sa surfacce libre, il n'a plus d'interactions avec le lit poreux.
Les choses sont tout à fait différerntes dans les sections de gazéification et
de décarbonatation. En effet, alors que la température du lit solide augmente
sous l'effet de l'admission de l'agent de gazéification (air chaud), la matière
organique va se dégrader (pyrolyse) pour libérer des espèces gazeuses
combustibles et un résidu solide (char). En ce qui concerne ce dernier, il va
être gazéifié (par H2O, CO2 ou O2) dans le lit sous l'effet de réactions
hétérogènes. Une partie des espèces gazeuses produites lors de la pyrolyse
vont également subir des réactions chimiques au sein du lit, mais la plupart de
ces espèces vont rejoindre la surface libre du lit et rencontrer de l'oxygène
qui a traversé le lit sans y avoir réagi. Ce ciel gazeux va donc être le siège de
nombreuses réactions d'oxydation homogène, libératrices d'énergie, et où les
processus de turbuelence et de rayonnement jouent un rôle majeur, notamment pour
ce dernier qui va contribuer au préchauffage de la charge et à l'équilibre
thermique du dispossitif. Il a donc été choisi de faire appel à la mécanique
des fluides numérique (Fluent) pour prendre en compte ces phénomènes et de
coupler cet outil avec le modèle de lit par ailleurs développé en language
Fortran. De petites routines Matlab ont également été utilisées pour convertir
les différentes données d'un outil logiciel vers l'autre, et une interface
logicielle écrite en Java a permis d'automatiser le processus itératif de
résolution jusqu'à convergence.
Illustration du couplage utilisé.
Illustration de la résolution numérique du couplage.
Algorithme itératif (gauche) et interface logicielle de
résolution (droite)
Les résultats fournis par le modèle concernent en premier lieu l'évolution de la composition du lit le long de la grille (fractions massiques en humidité, matière organique, cendres, char, gaz, mais également la composition de ce gaz. Coté ciel gazeux, les résultats obtenus correspondent aux profils tridimensionnels de température, d'espèces chimiques et de densité de flux de chaleur par rayonnement. L ensemble de ces données, permet de dresser un tableau récapitulatif des entrées sortie du réacteur offrant ainsi la possibilité de comparer son fonctionnement d'un jeu de paramètres opératoires à un autre.
Illustration des résultats forunis par le modèle.
Evolution axiale de la composition du lit (gauche), de sa température
(droite) et de la composition du gaz dans le lit (bas).
Illustration des résultats forunis par le modèle (suite).
Profils de fraction massique en O2 (gauche) et CO (droite)
dans le ciel gazeux du gazéifieur.
Illustration des résultats forunis par le modèle (suite).
Evolution de la densité de flux de chaleur reçue par le lit
depuis le ciel gazeux.
Illustration des résultats forunis par le modèle (fin).
Tableau récapitulatif des résultats
de la configuration étudiée.
