The increasing concern for emissions and pollutants from power generation plants has increased the desire for and the study of biomass fuels. Biomass combustion produces less carbon monoxide as well as other greenhouse gases. Black liquor is a byproduct from the Kraft process in making paper. Black liquor can be gasified and used as a fuel in recovery boilers and fluidized bed steam reformers. Recovery boilers have a low efficiency and are used today because of their reliability. Steam reformers have a much higher efficiency but they are a relatively new science and are not as reliable. One of the reasons why steam reformers are not reliable is due to the agglomeration of the particles in the fluidized bed. The particles will stick together, agglomerate, at temperatures much lower than their melting temperature. The strength of these bonds and the temperature at which the bed agglomerates were studied as well as the effect of particle size on the heat transfer coefficient from the heaters to the bed material by means of experimentation and analysis. As the carbon content decreases, the agglomeration temperature also decreases. For 0.3% carbon content coated particles, the agglomeration temperature is approximately 490 ºC. The temperature at which the inter-particle bond strength increases dramatically also decreases. By comparing the inter-particle force with the collision force between particles, it was observed that when the velocity of the particles decreases below 1/500th of the free stream velocity, the particles will agglomerate.

Cette étude est consacrée à la compréhension des phénomènes mis en jeu dans les écoulements fluidisés denses verticaux ascendant et descendant, ainsi que dans leur couplage avec un écoulement fluidisé dense horizontal dans une enceinte à pression contrôlée. Tout d'abord une étude hydrodynamique, réalisée dans une colonne de fluidisation classique sans circulation de solide, a permis de déterminer les différentes grandeurs caractéristiques de la suspension lors de sa fluidisation et de sa désaération, indispensables à la compréhension et à la modélisation des écoulements : Vitesses minimales de fluidisation et de bullage. Porosités au minimum de fluidisation et de bullage. Porosité de la phase dense. Vitesse de désaération et de sédimentation. Puis, l'influence des paramètres tant géométriques (diamètre de la colonne d'expédition, longueur de la partie horizontale, …) qu'opératoires (vitesses de fluidisation de la partie horizontale et d'aération de la colonne d'expédition, politique de dégazage, …) sur le comportement global de deux unités pilotes a mis en évidence les paramètres clés du procédé : Vitesse de fluidisation de la partie horizontale. Politique de dégazage. Aération de la colonne d'expédition. Les transferts de gaz entre les différentes zones du procédé ont également été mis en évidence grâce à l'utilisation d'un traceur gazeux. Enfin, une modélisation de type monodirectionnelle est entreprise dans le but de simuler le comportement des suspensions fluidisées denses en écoulement verticaux ascendant et descendant. Les résultats obtenus concordent de manière très satisfaisante avec les mesures expérimentales. Ils permettent de mettre en évidence les mécanismes de transport ascendant de solide. De plus, le logiciel de calcul ainsi créé permet d'optimiser les dimensions d'une conduite verticale accueillant une suspension fluidisée dense en écoulement descendant afin d'en garantir le bon fonctionnement. / This study is dedicated to the understanding of the phenomena involved in dense fluidized upward and downward flows, and their coupling with a dense fluidized horizontal flow in a pressure controlled chamber. First of all, a hydrodynamic study, conducted in a solid particles flow-free cylindrical fluidization column, is initiated to determine the fluidization and de-aeration characteristics parameters, required to the flows understanding and modeling: Minimum fluidization and minimum bubbling rates. Minimum fluidization and minimum bubbling voidages. Dense phase voidage. De-aeration and sedimentation rates. Then, the geometric (upward-flow zone diameter, horizontal chamber length, …) and operating (horizontal chamber fluidization rate, degassing policy, …) parameters influences on two pilot-scaled unities behavior highlights the process key parameters: Horizontal chamber fluidization rate. Degassing policy. Upward-flow additional aeration. The use of helium tracking also highlights the gas transfer phenomena between horizontal, vertical upward, and vertical downward flow zones. Finally, a monodirectional model is created in order to simulate dense gas/solid suspensions behavior in vertical upward and downward flows. The computed results are concordant with the experimental data and highlight the upward solid conveyance mechanisms. The computation software can also optimize the downward pipe dimensions with the aim of maintaining a good flow.

Améliorer la compréhension des phénomènes pilotant l’agglomération au sein des réacteurs à lit fluidisé lors de la conversion thermochimique de biomasse (700-1000°C) est important pour prédire son occurrence à l’échelle industrielle. L’agglomération est liée à la formation de phases liquides (oxydes liquides et/ou sels fondus) provenant de la fusion des espèces inorganiques contenues dans la ressource (cendres). Leur présence conduit à la défluidisation des matériaux de lit, à l’origine d’une baisse des rendements de production en gaz, voire d’un « blocage » du réacteur. La phénoménologie de l’agglomération est examinée à partir de trois approches expérimentales, en matériaux simulants et réels, à trois échelles différentes et dans des gammes de températures allant de l’ambiante à 1000°C. L’analyse des mécanismes à l’origine de cette agglomération du lit montre que la formation du liquide est le seul paramètre limitant dans la formation d’agglomérats. Ce phénomène provoque une augmentation du diamètre apparent des particules de lit en parallèle d’une diminution de leur masse volumique. Ces modifications peuvent être associées à un déplacement au sein de la classification de Geldart de la catégorie B vers la catégorie D. D’un point de vue hydrodynamique, la défluidisation du lit résulte de la ségrégation des agglomérats au fond du réacteur. Ce phénomène contribue à dégrader l’homogénéité de répartition du gaz de fluidisation dans le réacteur. La défluidisation complète du lit survient pour une fraction de liquide dans le lit très faible (quelques % vol. de lit). Sur la base de ces résultats, une formulation simplifiée a été proposée et permet de prédire, à partir de la ressource utilisée et pour un fonctionnement simplifié, la durée de fonctionnement avant défluidisation. / Improving the knowledge on the driving phenomena of agglomeration during fluidized-bed conversion of biomass (700-1000°C) is essential to predict its occurrence at industrial scale. Agglomeration is due to liquid phase formation (molten salts and/or molten silicates) coming from the melting of inorganic species contained inside the biomass (ash). Their presence leads to bed materials defluidization, reducing the process efficiency and even going up to a “blockage” of the reactor. The phenomenology of agglomeration is investigated with three experimental approaches, using simulant and real materials, at three different scales, and with a temperature ranging from ambient one to 1000°C. The analysis of the mechanisms underlying the bed agglomeration indicates that the liquid formation is the single limiting parameter for agglomerates formation. This phenomenon leads to an increase of the apparent diameter of the bed particles and at the same time to a decrease of their density. These modifications can be seen as a shift among the Geldart’s classification, from the B to the D-class. Concerning the hydrodynamic aspect, the bed defluidization is due to the agglomerates segregation at the bottom of the reactor. This phenomenon contributes to degrade the homogenous fluidization gas distribution across the reactor. The total bed defluidization occurs for a very low liquid fraction in the bed (few % vol. of bed materials). Based on these results, a simplified model has been proposed in order to predict the operating time before defluidization of the reactor, taking into account the biomass composition and simplified operating conditions.

L'objectif de cette étude est de comprendre et de modéliser la phénoménologie du transport vertical dense descendant de particules de la classe A de la classification de Geldart. Dans un premier temps, une étude expérimentale est réalisée sur une maquette en statique (absence de circulation de solide) dans le but de déterminer expérimentalement l'effet des paramètres opératoires sur les grandeurs caractéristiques de la défluidisation des particules de FCC : vitesses de sédimentation, porosité de la phase dense, temps caractéristiques…. Ces données sont nécessaires pour l'étude de l'écoulement gaz/solide dense vertical descendant. La simulation numérique en 2D de la défluidisation est effectuée et les prédictions sont comparées aux données expérimentales. Dans un deuxième temps, des essais sur une maquette permettant de reproduire les phénomènes observés industriellement dans les écoulements denses verticaux descendants de particules sont entrepris. Les observations visuelles complètent les mesures de pressions locales obtenues le long de l'écoulement à différentes conditions avec et sans injection de gaz d'aération. L'étude expérimentale consiste à : - déterminer les limites des différents régimes en termes de débit surfacique de solide et de débit d'aération ; - établir les propriétés de l'écoulement dans les différents régimes. Dans un troisième temps, les propriétés des écoulements de différents régimes sont étudiées et modélisées par une approche monodirectionnelle du type bulle-émulsion. / The objective of this study is to understand and model the phenomenology of the vertical downward dense transport of class A particles of the Geldart classification. Initially, an experimental study is conducted on a static fluidized bed (no flow of solid) in order to determine experimentally the effect of operating parameters on the defluidization properties of FCC particles, such as, sedimentation rates, dense phase porosity, characteristic times ... These data are needed to study gas/solid dense downward flow. 2D numerical simulations of defluidization are performed and the predictions are compared with experimental data. In a second step, experiments are undertaken in a pilot unit able to reproduce the gas/solid dense downward flow phenomena observed in industrial units. Visual observations complement the local pressure measurements profile obtained for the different flow conditions with and without external injection of gas. The experimental study is conducted to: - determine the boundaries of different flow patterns in terms of solid mass flux and gas flowrate; - establish flow properties in different flow patterns. Finally, flow properties of the different patterns are studied and modelled by a monodimensional bubble/emulsion approach.