Réacteur BEGREEN : un pilote polyvalent (Méthanation catalytique, Reformage des hydrocarbures, Synthèse Fisher-Tropsch, Synthèse CO2-Fisher-Tropsch, Synthèse d’alcools, Water-Gas-Shift, Reverse water-gas-shift)
Dans le cadre d’un financement REACT-EU de soutien à la reprise en faveur de la cohésion et des territoires de l’Europe (projet BEGREEN), la plateforme VALTHERA vient de s’équiper d’un réacteur chimique catalytique du type « lit fixe », de taille pilote. Le laboratoire RAPSODEE développe des catalyseurs novateurs et des procédés catalytiques avec un réacteur similaire de petite taille. Ces différentes échelles (l’existant à RAPSODEE : 8-14 mm de diamètre interne ; le nouveau pilote : 35 mm de diamètre interne, soit 70% de la taille industrielle) sont indispensables pour une montée en maturité technologique (TRL 3 à TRL 5) et validation préindustrielle du procédé.
A moyen terme, ce nouveau pilote catalytique offrira une opportunité de couplage au gazéifieur pilote de VALTHERA. Nous envisageons au cours de cette année, l’achat d’un système de purification de syngas pour enlever les goudrons et les autres polluants (gaz acides, particules fines…), qui est l’étape cruciale avant les applications en aval de la pyrogazéification. Une fois que cette étape de purification soit validée, les couplages pour convertir le syngas en produits finaux peuvent être envisagés, telle que la méthanation catalytique qui sera réalisée dans le nouveau réacteur.
La concentration du rayonnement solaire (fours et centrales solaires) peut apporter de l’énergie thermique à des procédés industriels entre 100 et 2500 °C.
Nous avons développé un concept original de four solaire, de type « beam down », adapté aux bâtiments existants, basé sur un héliostat (qui suit la course du soleil), placé sur le toit du bâtiment, qui concentre horizontalement le rayonnement vers un miroir plan. Celui–ci renvoie, vers le bas, au travers d’une ouverture de petite taille, le flux solaire concentré à l’intérieur d’un bâtiment. On peut ainsi obtenir, avec ou sans surconcentrateur, des flux supérieurs à 1000 soleils, et des températures supérieures à 1500 °C. La puissance au foyer du prototype installé sur le toit du bâtiment de VALTHERA, dans les meilleures conditions d’ensoleillement, peut atteindre 10 kW thermique.
Le broyeur à couteaux FRITSCH de 2011 W a été couplé à un Wattmètre. Un fonctionnement continu ou semi-continu est instauré. Ceci permet de quantifier l’énergie nécessaire au broyage d’une quantité donnée de matériau.
En complément, la mesure de la distribution de taille des particules après broyage permet d’évaluer la surface créée, et de calculer une énergie spécifique de broyage, en W/m2.
L’unité pilote GASCLEAN – technologie de la société COGEBIO – de gazéification en lit fixe co-courant fonctionne en mode continu. Elle permet de gazéifier un débit nominal de 20-30 kg/h de combustible, pour une puissance thermique de 100kW. Le syngas produit est brûlé en continu dans une chaudière équipée d’un brûleur mixte spécial, avec possibilité d’appoint de gaz type méthane.
L’installation est finement instrumentée, et permet la mesure des températures de tous les fluides, ainsi que des pressions au sein du procédé. Des bilans matière et énergie peuvent être dressés, sur les flux de combustible entrant, de syngas produit, ainsi que d’eau chaude générée.
Le syngas produit peut être analysé en continu grâce à une baie d’analyse équipée d’un analyseur O2 (paramagnétique), d’un analyseur d’hydrocarbures totaux (FID), et d’un micro-chromatographe gaz.
L’unité doit permettre d’opérer en pyrolyse oxydante pour la production de bio-char.
VALTHERA dispose des équipements d’analyse sur site, ainsi qu’un accès à une large palette de matériel d’analyse et d’équipement de caractérisation disponibles dans le centre RAPSODEE.
Des exemples des équipements dont dispose VALTHERA
Baie d’analyse de gaz en continue, comprenant :
un système de pré conditionnement du gaz (filtration des suies, condensation des goudrons)
un analyseur d’oxygène paramagnétique,
un analyseur d’hydrocarbures totaux et de CH4 par FID,
un micro-chromatographe gaz
Chromatographe GC avec double détection par spectrométrie de masse (GC-MSMS)
Spectromètre à fluorescence aux rayons X pour la détermination de la concentration de métaux dans des matrices solides.
Ce dispositif à fonctionnement batch permet de soumettre une charge de particules solides – sous la forme d’un lit fixe – à une chauffe, un maintien en température, puis un refroidissement contrôlés. Le lit de matière est traversé par un fluide imposant l’atmosphère, qui peut être neutre ou oxydante. Ce fluide est préchauffé (jusqu’à 300°C) avant de traverser le lit.
Le volume du lit peut atteindre 40 l, et la température peut atteindre 1000°C. Une configuration en tiroirs superposés permet de traiter des lits sans circulation de gaz dans la charge. Les applications classiques sont la torréfaction, la pyrolyse, la gazéification et la combustion de la charge. Les phénomènes d’auto-échauffement d’une charge au contact d’un gaz (l’air) peuvent être mis en œuvre et caractérisés. Les gaz condensables dégagés par la chauffe sont condensés et peuvent être caractérisés. Les gaz permanents peuvent aussi être analysés en continu.
La tour d’atomisation de type F01A (technologie de la société GEA Niro) est une installation de séchage en continu. Le principe de fonctionnement est le suivant. Le produit liquide (solution, émulsion ou suspension) est pulvérisé sous forme de fines gouttelettes, dont le diamètre est compris entre une dizaine et une centaine de microns. Ces fines goutelettes sont ensuite dispersées dans un courant gazeux. La grande surface d’échange gaz/liquide générée par la pulvérisation conduit à des temps de séchage très courts, généralement de l’ordre de 10 à 60 s. La poudre sèche est ensuite séparée du gaz. Avec une circulation des deux flux de matière (l’air chaud à une température maximale de 350°C et le produit dispersé) à co-courant, cette installation est adaptée au traitement des produits thermosensibles. Deux éléments dispersifs sont disponibles : une buse bi-fluide pour les solutions concentrées et une turbine à air comprimé, pouvant tourner jusqu’à 33 000 tours par minute, pour les pâtes épaisses et les suspensions. La capacité évaporatoire de l’installation varie de 1 à 7 kg/h selon les conditions opératoires choisies et le produit considéré. La configuration de la tour d’atomisation est de type « sortie monoflux » : les particules solides sont entraînées par le fluide caloporteur à l’extérieur de la chambre puis séparées par inertie et gravité dans un cyclone. L’instrumentation de l’installation permet d’établir des bilans de matière et d’énergie. Le produit récupéré dans un collecteur peut ensuite être caractérisé.
Ce dispositif à fonctionnement batch permet de caractériser les cinétiques de séchage d’un matériau, dans des conditions externes autour du produit (température, composition et vitesse) bien maîtrisées. Ce dispositif opère à pression atmosphérique, sous air chaud ou en vapeur d’eau surchauffée. Un humidificateur et un générateur de vapeur permettent de contrôler avec précision la composition de l’atmosphère gazeuse. Dans les deux cas, la température maximale du fluide caloporteur ne peut excéder 190°C. Deux configurations géométriques sont disponibles: une cellule de séchage en lit fixe traversé et une cellule de séchage par léchage. Chaque cellule, qui peut contenir jusqu’à quelques kilogrammes de produit, repose sur un peson. La perte de masse est mesurée en semi-continu, avec une précision de 1g. La vitesse d’écoulement du fluide caloporteur à l’entrée de la cellule peut varier de 1.5 à 3 m/s en flux léchant ou de 1,5 à 5 m/s en flux traversant. Un piquage sur l’extraction permet d’échantillonner la phase gazeuse pour analyser sa composition. A l’issu de l’expérience, le solide peut être caractérisé. Les données cinétiques obtenues peuvent ensuite être utilisées pour prédire les cinétiques de séchage dans une installation industrielle donnée ou pour dimensionner le procédé.
Plateforme technique de R&D sur la valorisation de biomasse et déchets par procédés thermiques
