Séminaire de thermodynamique du 20 décembre 2002

1. Séminaire de thermodynamiquedu 20 décembre 2002 Introduction au projet Megazo Promoteur : Pr. Joseph Martin Chef de projet : Jean-Marie Seynhaeve Assistant de recherche : Baptiste Buxant Partenaire industriel: Xylowatt

2. Plan de l’exposé introductif La gazéification Contexte Objet de la recherche Megazo Plan de travail Phase 1: Caractérisation - Matrice des essais Phase 2: Modélisation des foyers Phase 3: Étude et design d’un foyer 1MWe Phase 4: Réalisation du gazogène

3. La gazéification • Input • Bois de toute essence • Conditions sur Granulométrie & Humidité • Origine: rés. forestiers,rés. agricoles, scieries, cultures énergétiques, bois de démolition, bois contaminés. • De l’air… Output Gaz combustible (CO, H2, CH4, CO2, N2, H2O) En aval du gazogène Moteur & Cogénération, Turbine, Chaudière Pîle à combustible

4. Contexte (1) • A l’UCL: • 10 années de recherche fondamentale • Gazel (à Ophain) • Regal (à l’ucl) • Minigazogène (à l’ucl) • Projets en cours : WW-Cogen, Mini-Cogen, Gazopile • Xylowatt : spin-off UCL Gazogènes de 0,1 à 0,5 Mwe (1000 tep/an) • Potentiel biomasse en Belgique: 1 million tep/an • Peu valorisé • Problèmes de débouchés

5. Gaz de pyrolyse air air Contexte (2) • Enjeux environnementaux, sociaux et économiques • Cependant… • Limitation de la puissance • Design du foyer critique (> 0,5 Mwe) • Problème de répartition de l’air Figure 2 Figure 1

6. Objet de la recherche Megazo • Modélisation des foyers de gazogènes Écoulement des réactifs (gaz de pyrolyse, air) Écoulement du milieu poreux Equilibres & cinétique des réactions • Simulation CFD des foyers • Expérimentation sur maquette, validation • Etude & Optimisation d’un gazogène 1Mwe • Réalisation d’un prototype

7. Plan de l’exposé introductif La gazéification Contexte Objet de la recherche Megazo Plan de travail Phase 1: Caractérisation - Matrice des essais Phase 2: Modélisation des foyers, validation Phase 3: Étude et design d’un foyer 1MWe Phase 4: Réalisation du gazogène √ √ √

8. Phase 1: Caractérisation (1) • Etude de l’influence des paramètres fondamentaux • Mise en évidence de lois d’homothétie ? Gazogène expérimental 30 kWe Gazogène REGAL 300 kWe • Guidelines de design pour 1Mwe • Apport de données pour les phases suivantes

9. Phase 1: Caractérisation (2) • Matrice d’essais Paramètres • Gazogène Expérimental / Gazogène REGAL • Débit d’air • Granulométrie du combustible • Humidité du combustible Grandeurs mesurées • Composition du gaz • Teneur en goudrons • Température du gaz • Humidité du gaz

10. Phase 1: Caractérisation (3) • Recherche du débit d’air nominal • Granulométrie & humidité fixées • Influence sur la gazéification de: • Granulométrie du combustible • Humidité du combustible • Gazogène expérimental: 20 + 5 essais • Gazogène REGAL : 20 + 5 essais • Planning: Fin des essais: mai 2003 Durée 17 semaines 3 essais/semaine

11. Matrice d’essai du Gazogène expérimental

12. Phase 2: Modélisation du foyer • Simulation CFD (Fluent) Modélisation de la pyrolyse Modélisation du matériau poreux Modélisation des écoulements (réactifs solides & gazeux) Simulations • Validation sur maquette « froide » Comparaison avec résultats CFD

13. Phase 3: Design du foyer 1MWe • Choix de configurations Foyer cylindrique Foyer annulaire Foyer à géométrie elliptique … • Simulation CFD des configurations (Fluent) Simulations pour plusieurs conditions de fonctionnement Sélection et optimisation du meilleur design • Vérification du design choisi sur maquette 1:1

14. Phase 4: Réalisation du gazogène • Conception du gazogène pilote : Design complet du gazogène pilote (sans système d’épuration) • Construction du gazogène et de ses périphériques Sous-traitance de la réalisation Localisation à définir… • Caractérisation du gazogène pilote Puissance nominale Teneur en goudrons Influence granulométrie & humidité

15. Conclusions • Nécessité de développer un modèle pour la gazéification • Plan de travail Phase 1: Caractérisation Phase 2: Modélisation des foyers Phase 3: Étude et design d’un foyer 1MWe Phase 4: Réalisation du gazogène

16. Phase 2: Modélisation du foyer Pyrolyse Sous l’effet de la température Bois Matières volatiles Coke végétal

17. Combustion Matières volatiles sous forme gazeuse Coke végétal sous forme solide Réduction

18. Pyrolyse : relâchement en fonction de la température

19. Pyrolyse : « chimie » à l’équilibre

20. Pyrolyse : évaluation de la composition 5 relations : • 3 équations d’équilibre chimiques : f(T) • bilan de masse : bois, matières volatiles, coke végétal p(T) = + (1-p(T)) • somme des fractions molaires = 1

21. Géométrie des gazogènes REGAL

22. 2D axisymétrique : Conditions aux limites - Maillage GAZ AIR

23. Modélisation du lit de particules de bois MILIEUX POREUX ERGUN 4 simulations en 2D axisymétrique : • « BASIC » • « VIDE » : D et C = 0 • « VISQ » : C = 0 • « TURB » : D = 0

24. Simulation 2D axisymétrique : BASIC « Vitesse »

25. Simulation 2D axisymétrique : BASIC Trajectoire

26. Simulation 2D axisymétrique : VIDE Trajectoire

27. Simulation 2D axisymétrique : VISQ Trajectoire

28. Simulation 2D axisymétrique : TURB Trajectoire

29. Simulation 2D axisymétrique : Faction massique Vide Basic Turb Visq

30. Simulation 2D axisymétrique : Température Vide Basic Turb Visq

31. Simulation 3D : MINIGAZO - REGAL VOIR FLUENT : MINIGAZO

32. Simulation 3D : MINIGAZO – Fraction massique

33. Simulation 3D : REGAL – Fraction massique

34. Simulation 3D : MINIGAZO – Température

35. Simulation 3D : REGAL – Température

36. Conclusions - Influence importante de la nature du lit de particules de bois - Influence de la géométrie – Effet d’échelle - Imperfections de la modélisation Modélisations futures • Simulation de la génération de chaleur • « Combustion » - « Réduction » • Simulation du dégagement des mat. vol. • . Fonction de la température • . Conduction dans le milieu poreux • Caractéristiques du milieu poreux • Etude de sensibilité