Chemical Looping Gasification of Biomass

La gazéification à la vapeur de la biomasse est une réaction endothermique dont l'énergie nécessaire peut être fournie soit par une source externe, soit par combustion d'une partie de la biomasse par de l'oxygène. Parmi les différentes sources d'oxygène on trouve l'air, qui entraine la dilution du gaz de synthèse dans l'azote, et l'oxygène pur, qui augmente fortement les coûts totaux de production. Une alternative à l'air et à l'oxygène pur est le procédé de boucle chimique. Dans ledit procédé, l'oxygène est séparé de l'air à haute température à l'aide d'oxydes métalliques. Dans un premier réacteur, appelé réacteur d'oxydation, le métal réduit est oxydé par l'air. Ce métal oxydé est ensuite transféré dans un second réacteur, appelé gazogène, où il libère l'oxygène qui permet la combustion partielle de la biomasse. Ce métal une fois réduit est recyclé vers le réacteur d'oxydation où il est régénéré. Afin d'augmenter la stabilité thermique et mécanique de l'oxyde métallique, il est supporté par un matériau à haute résistance et cette combinaison est appelée transporteur d'oxygène. Comme dit précédemment, les transporteurs d'oxygène sont capables d'absorber l'oxygène de l'air et ensuite de le désorber dans le gazogène. En se basant sur des données thermodynamiques, les oxydes de cuivre, de manganèse et de cobalt, ont été identifiés comme ayant les capacités les plus élevées de libération de l'oxygène parmi les différents transporteurs d'oxygène potentiels. Ces derniers ont été déposés sur de l'alumine par imprégnation jusqu'à humidité naissante ou “Incipient Wetness Impregnation”. Des analyses thermogravimétriques ont permis d'évaluer la perte de poids du couple CuO-Cu2O à 10 % alors qu'elle n'était que de 7 % pour le couple Co3O4-CoO et 3 % pour le couple Mn2O3-Mn3O4. Néanmoins, la température optimale d'opération de CuO était de 950 C, soit 100 C de plus que celle des deux autres transporteurs. Un modèle modifié de croissance de noyau a été utilisé pour caractériser la perte et le gain de masse pendant les cycles d'oxydo-réduction de cobalt. A 875 C, le taux de réduction est 3 fois supérieur à celui à 825 C, alors que la vitesse d'oxydation diminue de plus de 10 fois. D'autre part, la surface spécifique du transporteur CuO diminue de 70 % alors qu'elle ne diminue que de 30 % et de 60 % pour les vi transporteurs fait de Co3O4 et de Mn2O3 respectivement. Le cobalt a donc moins tendance à fritter à haute température par rapport au cuivre ou au manganèse, et ce couplé à une bonne capacité de transport d'oxygène et un bon taux d'oxydation-réduction. Par conséquent, en dépit de son coût élevé et de sa toxicité, l'oxyde de cobalt peut être considéré comme un transporteur d'oxygène potentiel pour la gazéification de combustibles solides. Dans la seconde partie de la thèse, de la biomasse a été gazéifiée dans un lit fluidisé a bulles avec de la vapeur et de l'oxygène. Ce dernier était fourni par la réduction de Co3O4 en CoO. L'oxyde de cobalt réduit (CoO) a ensuite été régénéré par substitution de la vapeur par de l'air et ce lors de l'interruption de l'alimentation de la biomasse. En modifiant la température de 825 C à 875 C, le rendement de H2 a augmenté jusqu'à 60 %. En modifiant l'injection de vapeur de 0 à 18 %, le rendement de H2 a augmenté de 4 fois. En remplaçant 50 % du sable qui constituait le lit avec du Co3O4, le rendement de CO a augmenté jusqu'à 45 % et le rapport H2 :CO a été diminué. Afin de modéliser le réacteur, un modèle à deux phases pour le lit dense et un modèle d'écoulement piston pour la zone de projection ou “freeboard” ont été utilisés. Une des hypothèses adoptées dans ce modèle est que les solides sont bien mélangés. Lors de l'augmentation de température de l'ambiance à 850 C, le coefficient de dispersion axiale est augmenté de 0.09 à 0.12 m2/s. De plus, la variation de la composition du gaz dans la direction radiale est négligeable. Ce modèle hydrodynamique couplé à un modèle cinétique disponible dans la littérature caractérise adéquatement la composition des gaz à la sortie du réacteur. Dans la partie finale de cette thèse, un système de gazéification conventionnel (CG) et un système de gazéification en boucle chimique (CLG) pour le traitement de 86 t/j de biomasse ont été simulés avec Aspen Plus et leurs coûts d'exploitation et de capital ont été comparés. A l'exception de la configuration du réacteur, ces deux systèmes sont identiques. Le réacteur CG est composé d'un lit fluidisé a bulles (ID = 1.8 m, et H = 6.6 m) qui sert de gazogène, dont le lit est composé de sable, et l'oxygène est fourni par l'intermédiaire d'une unité de modulation de pression d'adsorption. Le CLG, quant à lui, se compose d'un gazogène à lit fluidisé dense (ID = 1.8 m, et H = 6.6 m et) travaillant en parallèle avec un réacteur d'oxydation à lit fluidisé rapide (ID = 1 m, et H = 10 m). vii Un débit de Co3O4(8 %)/Al2O3 de 44.6 kg /s passe du gazogène au réacteur d'oxydation, et permet de fournir l'oxygène nécessaire à la gazéification. L'investissement total en capital (ITC) des unités CG et CLG sont estimées à 6.3 et $\$$9.7M respectivement. Cependant, les coûts de production annuels du CLG sont de $\$$0.58M de moins que la CG, permettant de rembourser la différence en capital du TCI en moins de 6 ans.