Projet Megazo1

Séminaire de thermodynamiquedu 20 décembre 2002

Introduction au projet Megazo

Promoteur : Pr. Joseph MartinChef de projet : Jean-Marie SeynhaeveAssistant de recherche : Baptiste BuxantPartenaire industriel: Xylowatt

Projet Megazo2

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

Projet Megazo3

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…

OutputGaz combustible(CO, H2, CH4, CO2, N2, H2O)

En aval du gazogène Moteur & Cogénération, Turbine, ChaudièrePîle à combustible

Projet Megazo4

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

1. Peu valorisé

2. Problèmes de débouchés

Projet Megazo5

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 1 Figure 2

Gaz de pyrolyse

airair

Projet Megazo6

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

Projet Megazo7

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

√

√

√

Projet Megazo8

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

Projet Megazo9

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

Projet Megazo10

Phase 1: Caractérisation (3)

1. Recherche du débit d’air nominal

• Granulométrie & humidité fixées

2. 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

Projet Megazo11

Matrice d’essai du Gazogène expérimental

7% 14% 20% 20 30 35 40 45 50 60 Nom-5 Nom Nom+5Plaquettes forestières

Broyat de palettes

1 1 1 12 1 1 13 1 1 14 1 1 15 1 1 16 1 1 17 1 1 18 1 1 19 1 1 1

10 1 1 111 1 1 112 1 1 113 1 1 114 1 1 115 1 1 116 1 1 117 1 1 118 1 1 119 1 1 120 1 1 1

Humidité Type de bois

Essai n°

Débit d'air [m3N/h]

Projet Megazo12

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

Projet Megazo13

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

Projet Megazo14

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

Projet Megazo15

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

Projet Megazo16

Phase 2: Modélisation du foyer

Pyrolyse

Bois

1.44 0.66CH O

Matières volatiles Coke végétal

Sous l’effet de la température

1.2 0.5CH O 0.4 0.058CH O

Projet Megazo17

Combustion

1.2 0.5CH O 2+ 0.6 O

2 2 20.5CO +CO +0.4H +0.2H O

Matières volatiles sous forme gazeuse

Coke végétal sous forme solide

2 2

2

C + O CO +393800kJ/kmole

C + 0.5 O CO +110600kJ/kmole

Réduction

2 2

2

C + H O CO +H 131400kJ/kmole

C + CO 2CO 172600kJ/kmole

Projet Megazo18

Relachement des gaz de Pyrolyse : fraction massique restante

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 450.0 500.0 550.0 600.0

Température(°C)

Pro

po

rtio

n (

%)

Pyrolyse : relâchement en fonction de la température

Projet Megazo19

Chimie à l'équilibre de la pyrolyse

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

400.0 500.0 600.0 700.0 800.0 900.0 1000.0

Température (°C)

Fra

ctio

n m

ola

ire

(%)

CO2 + C = 2 CO

H2O + C = CO + H2

C + 2 H2 = CH4

Pyrolyse : « chimie » à l’équilibre

Projet Megazo20

Pyrolyse : évaluation de la composition

Température (°C) 600Proportion bois restant (p) 0.260Fraction molaire CO 0.090Fraction molaire CO2 0.231

Fraction molaire H2 0.306

Fraction molaire H2O 0.253

Fraction molaire CH4 0.119

Masse moléculaire (kg/kmole) 19.777R des gaz de pyrolyse (J/kg/K) 420.4

GAZ DE PYROLYSE

5 relations :- 3 équations d’équilibre chimiques : f(T)- bilan de masse : bois, matières volatiles, coke végétal

1.44 0.66CH O 1-x 1.44-0.4x 0.6-0.058xC H Ox 0.4x 0.058xC H O= p(T) + (1-p(T))

- somme des fractions molaires = 1

Projet Megazo21

Géométrie des gazogènes

REGAL

1075

540

41056 °

O

17660 °

48

GEOMETRIE REGAL MINIGAZOD intérieur injecteur (mm) 28 18Nombre d'injecteurs 11 5Section injecteur (m2) 6.773E-03 1.272E-03D supérieur (mm) 1075 413H supérieur (mm) 540 229

Angle supérieur (°) 60 60

D inférieur (mm) 1000 464H inférieur (mm) 410 243Angle inférieur (°) 56 60H axe injecteur (mm) 176 84D équivalent injecteur (mm) 871.77 316.01H injecteur (mm) 2.47 1.28

Projet Megazo22

2D axisymétrique : Conditions aux limites - Maillage

AIR

GAZ

Débit d'air (Nm3/h) 400Débit d'air (kg/s) 0.1437Température air (°C) 20Débit de bois sec (kg/h) 250Débit de gaz de pyrolyse 0.05139R du gaz 420.4Température gaz (°C) 1000

Conditions aux limites - REGAL

Projet Megazo23

Modélisation du lit de particules de boisMILIEUX POREUX

3

13.5TERME TURBULENT :

p

CD

2

2 3

11 150TERME VISQUEUX :

p

DD

21TERME SOURCE:

2S D v C v ERGUN

Porosité 0.37Diamètre particule (mm) 12Perméabilité (alpha) 1.225E-07Résistance visqueuse (D) 8.162E+06Resistance "turbulente" (C) 3.628E+03

Matériau Poreux 4 simulations en 2D axisymétrique :

- « BASIC » - « VIDE » : D et C = 0- « VISQ » : C = 0- « TURB » : D = 0

Projet Megazo24

Simulation 2D axisymétrique : BASIC « Vitesse »

Projet Megazo25

Simulation 2D axisymétrique : BASIC Trajectoire

Projet Megazo26

Simulation 2D axisymétrique : VIDE Trajectoire

Projet Megazo27

Simulation 2D axisymétrique : VISQ Trajectoire

Projet Megazo28

Simulation 2D axisymétrique : TURB Trajectoire

Projet Megazo29

Simulation 2D axisymétrique : Faction massique

Basic Vide

Visq Turb

Projet Megazo30

Simulation 2D axisymétrique : Température

Basic Vide

Visq Turb

Projet Megazo31

Simulation 3D : MINIGAZO - REGAL

VOIR FLUENT : MINIGAZO

Projet Megazo32

Simulation 3D : MINIGAZO – Fraction massique

Projet Megazo33

Simulation 3D : REGAL – Fraction massique

Projet Megazo34

Simulation 3D : MINIGAZO – Température

Projet Megazo35

Simulation 3D : REGAL – Température

Projet Megazo36

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