Développement d'un analyseur thermogravimétrique à lit fluidisé : application à la gazéification catalytique du charbon

Un analyseur thermogravimétrique (ATG) à lit fluidisé a été développé afin de surmonter les nombreuses limitations de l'ATG conventionnel. Une configuration spéciale des instruments de mesure a permis de mesurer le poids de l'échantillon, introduit dans l'ATG à lit fluidisé, en temps réel. Une autre particularité de cet équipement est le contrôle et la régulation des débits des gaz alimentés en fonction de la température. Cette technique a permis de garder un régime de fluidisation optimale pour obtenir un mélange approprié au sein du lit fluidisé, tout en minimisant les vibrations du système. De plus, cet ATG à lit fluidisé a été muni de plusieurs analyseurs des gaz produits : FTIR et chromatographie en phase gazeuse. La décomposition thermique de l'hydroxyde de calcium a fait l'objet du test de validation de l'ATG à lit fluidisé. Les résultats ont été impressionnants : les limitations de transfert de matière et de chaleur, qui ont été observées dans l'ATG conventionnel, ont disparu de l'ATG à lit fluidisé. Cette conclusion a été consolidée par une analyse des échantillons produits par la technique de la diffraction des rayons X (XRD). Les résultats ont confirmé que l'ATG à lit fluidisé sera, dans le futur, un équipement idéal pour l'étude de la cinétique et de mécanismes des réactions chimiques gaz-solide. Vu l'importance du charbon dans le portfolio énergétique mondial, il a été décidé de faire de la gazéification du charbon une première application dans l'ATG à lit fluidisé en décomposant les réactions associées au mécanisme de la réaction. Ainsi, une série de tests expérimentaux sur la pyrolyse du charbon, la gazéification du char et la gazéification du charbon dans l'ATG fluidisé a été effectuée. Les résultats ont été traités pour trouver les différents paramètres cinétiques de la dévolatilistaion totale du charbon, ainsi que ceux des principaux gaz produits de la pyrolyse. La cinétique de l'oxydation partiale du char a été étudiée dans l'ATG à lit fluidisé et les paramètres cinétiques ont été développés. Le modèle de la cuve parfaitement agitée a été utilisé pour décrire le fonctionnement du réacteur de l'ATG à lit fluidisé. Ce modèle a été alimenté par les paramètres cinétiques obtenus précédemment, et les résultats ont été comparés avec ceux obtenus expérimentalement. L'équilibre la gazéification du charbon a aussi été étudié dans l'ATG à lit fluidisé. Les résultats ont montré que les réactions de reformage du méthane, ainsi que celle du déplacement de monoxyde de carbone, ont été loin d'être en équilibre. Les cendres et le soufre, contenus intrinsèquement dans le charbon, constituent un problème majeur pour le développement des technologies de gazéification du charbon. C'est pourquoi il a été décidé de faire de la gazéification catalytique du charbon sans cendre la deuxième application de l'ATG à lit fluidisé. Les cendres ont été éliminées du charbon grâce à un procédé développé par l'Université d'Alberta. Le charbon sans cendre a été gazéifié dans l'ATG à lit fluidisé. Le catalyseur (K2TiO3) a permis d'obtenir une meilleure conversion de carbone à basse température avec des gaz produits de grande valeur énergétique. Une diminution de la quantité du goudron, produite de la gazéification du charbon sans cendre, a été obtenue par l'application du catalyseur. L'effet catalytique a permis, aussi, de diminuer les énergies d'activation des principales réactions de gazéification, incluant le reformage du méthane et le déplacement de monoxyde de carbone.