L’étude présentée dans ce manuscrit s’inscrit dans les contextes environnementaux de la production d’énergie renouvelable et de la valorisation des déchets à base de bois. Il s’agit de valider et d’optimiser un procédé multi-étagé pour les déchets bois de type panneaux de particules. Dans ces déchets le bois est généralement associé à des résines urée formaldéhyde et mélamine formaldéhyde, composés riches en azote qui conduisent à la production de gaz polluants (ammoniac, acides isocyanique et cyanhydrique, NOx…) lors de leur valorisation énergétique (combustion, pyrolyse, gazéification). Le procédé proposé vise dans un premier temps à éliminer l’azote contenu dans le déchet pour produire un solide de type bois chauffé ou charbon dont la valorisation est envisagée dans un second temps par différents voies. La première étape consiste en une pyrolyse basse température (250°C à 400°C) pendant 3 à 15 minutes et permet d’éliminer environ 70 % de l’azote initial pour les différentes conditions étudiées. Le traitement à 250°C permet d’obtenir un meilleur rendement en solide et donc énergétique. La pyrolyse et/ou la pyrolyse / gazéification à la vapeur d’eau du résidu de la première étape sont ensuite étudiées entre 800°C et 1000°C. Le niveau de température le plus élevé assure le meilleur rendement gazeux et permet de produire un gaz riche en hydrogène et en CO utilisable dans divers procédés de valorisation énergétique. La pyrolyse / gazéification permet de convertir l’ensemble du solide carboné optimisant ainsi l’efficacité énergétique du procédé. En revanche, la simple pyrolyse du solide conduit à une production de gaz moins importante mais permet de piéger une part de l’azote dans le charbon résiduel final. Celui-ci, après une étape d’activation, semble particulièrement bien adapté au piégeage par adsorption du phénol et des composés aromatiques en phase liquide. Ainsi, les travaux effectués montrent qu’un procédé multi-étagé est une voie intéressante pour valoriser des sous-produits bois à faible coût en leur donnant une forte valeur ajoutée. / Within the environmental contexts of power generation and waste disposal, the present works deals with the validation and the optimisation of a multistage thermo chemical process of particleboard waste conversion (enhancement). These wastes are mostly associated with urea formaldehyde and melamine formaldehyde resins which contain a huge amount of nitrogen. Nitrogen causes the production of pollutants such as ammonia, isocyanic acid, cyanhydric acid and NOx… during classical thermo chemical process (combustion, pyrolysis and gasification). The process studied aims in a first time to remove nitrogen species from waste to produce a combustible solid and in a second time to convert this residual solid in a combustible gas. The first step consists in a low temperature pyrolysis (250°C to 400°C) during 3 to 15 minutes and assumes to eliminate 70 % of the initial nitrogen content for all studied conditions. The pyrolysis and/or the pyrolysis / gasification under water of the residue are then studied between 800°C and 1000°C. The higher temperature of reaction (1000°C) improves the production of gases and the energy efficiency of this second step and allow the production of hydrogen and carbon monoxide rich gases. The pyrolysis / gasification under water allows a total conversion of the solid which optimises the energy efficiency of the process. However, the pyrolysis under nitrogen produces a lower amount of gases but helps to catch a part of the nitrogen in the residual char. The char then produced is converted through an activation step, in an active char containing nitrogen functionalities with high adsorption capacities, especially for the trapping of phenol or other aromatic compounds in liquid phase. This multistage is thus a interesting way to enhance low cost raw matter like particleboard waste.

Les carburants BtL (Biomass to Liquid) font partie des carburants alternatifs au pétrole dits de seconde génération car synthétisés à partir de biomasse solide (contenant de la lignocellulose). Le procédé de fabrication de tels carburants par voie thermochimique repose sur deux étapes successives : la gazéification de la biomasse suivie par un procédé de Fisher-Tropsch. Certains éléments contenus dans la biomasse comme les sels alcalins peuvent se retrouver après l’étape de gazéification et être à l’origine d’attaques sous forme de sels fondus et ainsi endommager les infrastructures. Le travail réalisé dans ce manuscrit consiste à simuler la corrosion de parois d’échangeur thermique en présence de sulfate et chlorure de sodium sous atmosphère de gazéification (CO/H2/CO2) très faiblement oxydante (~ 10−18 bar). Afin de comparer les résultats à ceux issus de la bibliographie, les essais ont également été conduits sous atmosphère fortement oxydante (Ar/O2). Les essais réalisés sur alliage chrominoformeur, HR-120 (38Ni-34Fe-25Cr) à une température de 900°C en présence de sulfate de sodium en milieu faiblement oxydant ont mise en évidence une corrosion de type catastrophique localisée et réversible de l’alliage. Le comportement de l’alliage aluminoformeur, 214 (76Ni-16Cr-4Al) apparaît plus protecteur dans des conditions similaires. En présence de chlorure de sodium, les deux alliages se comportent d’une manière totalement identique : corrosion catastrophique en milieu fortement oxydant et impact du sel négligeable sous atmosphère faiblement oxydante. Un chapitre remède prometteur a été développé en fin de manuscrit. / BTL (biomass to liquid) is an innovative process to synthesize second generation bio-gasoline from wood and farm residues. This process includes a gasification step in order to generate the synthetic gas (syngas) which is subsequently transformed into gas oil by the Fisher Tropsch process. Alkaline salts (mainly potassium and sodium sulphates and chlorides) are present in the biomass and can induce detrimental high temperature corrosion of the refractory alloys where they can condensate as a liquid phase. In this work, we simulate high temperature corrosion of heat exchanger tubes in presence of sulphate and sodium chloride under gasification environment (CO/H2/CO2), consider as weakly oxidizing (~ 10−18 bar). To compare the results with those from the literature, tests were also conducted under highly oxidizing atmosphere (Ar/O2). Results with the chromia-forming alloy HR-120 (38Ni-34Fe-25Cr) at 900°C with sodium sulfate under low oxygen partial pressure shows reversible localized catastrophic oxidation. The behavior of the alumina-forming alloy 214 (76Ni-16Cr-4Al) appears more protective under similar conditions. In presence of sodium chloride, the behavior of the two alloys is identical. Indeed, with oxidizing atmosphere corrosion became totally catastrophic while the impact of sodium chloride was insignificant under gasification atmosphere.

La gazéification des résidus solides urbains (RSU) est une technologie qui permet de produire de l'électricité, de la chaleur, du gaz de synthèse ou des biocarburants à partir de déchets qui seraient autrement enfouis. Elle aborde donc simultanément les problématiques environnementales de la gestion des matières résiduelles et de la production d'énergie renouvelable. Enerkem est une entreprise sherbrookoise qui se spécialise dans la gazéification de résidus de toutes sortes, dont les RSU. L'efficacité énergétique de son procédé pourrait augmentée de 5,6 à 11,2% par l'ajout d'un récupérateur de chaleur. Pour qu'il fonctionne correctement, celui-ci doit être installé avant le système de lavage, à une étape où le syngaz contient encore plusieurs contaminants. Ces contaminants sont déterminants dans la conception du récupérateur de chaleur puisqu'il est nécessaire de minimiser l'entartrage des surfaces d'échange pour en assurer la fiabilité à long terme. Ce projet de maîtrise vise à concevoir un récupérateur de chaleur pour augmenter l'efficacité énergétique du procédé d'Enerkem lors de la gazéification des RSU. Pour y arriver, les contaminants dans le syngaz issu de la gazéification des RSU ont été échantillonnés à l'usine pilote d'Enerkem. La caractérisation de ces contaminants a permis de trouver la concentration et la composition des goudrons ainsi que la concentration et la taille des particules contenus dans le syngaz. L'élaboration d'un modèle de calcul du point de rosée a ensuite permis de déterminer la température minimale du syngaz pour éviter la condensation des goudrons. Des gammes de vitesses de syngaz sont également identifiées en fonction des caractéristiques des particules. Une géométrie souhaitable pour le récupérateur de chaleur est ensuite identifiée à l'aide de références bibliographiques. À partir de cette configuration, des calculs de transfert de chaleur ont permis d'étudier le dimensionnement ainsi que les risques d'entartrage du récupérateur de chaleur en fonction de la variation de plusieurs conditions d'opération. Les paramètres variés sont les températures d'entrée et de sortie du syngaz, la vitesse d'écoulement ainsi que la pression du syngaz et du fluide d'échange, et finalement le diamètre des tubes dans le récupérateur. Ces calculs sont effectués pour quatre fluides d'échange différents, soit l'eau, l'air, la vapeur et l'huile thermique. Les fluides d'échange appropriés pour le récupérateur de chaleur sont identifiés. La dernière partie du projet consiste au dimensionnement d'un récupérateur de chaleur adapté à l'usine pilote d'Enerkem. Un fluide d'échange est choisi, de même qu'un matériau de fabrication résistant bien à la corrosion en milieu réducteur. Les dimensions du récupérateur sont calculées en fonction du débit nominal de syngaz de l'usine pilote ainsi qu'en considérant les limites d'espace du bâtiment. L'effet de l'entartrage du récupérateur est quantifié.

Le reformage des gaz primaires de gazéification a été étudié à des températures de 800-1000[degrés Celsius].Le reformage thermique à ces températures a permis de convertir jusqu'à 65 % du goudron et de réduire le ratio phénol/naphtalène de 99 %, ce qui représente un avantage certain pour le traitement des eaux de lavages. L'ajout d'un lit fixe contenant du char a permis d'augmenter la conversion du goudron à 85 % et de réduire les phénols sous le seuil de détection du GC-MS. Dans ces conditions, il a été démontré que le reformage thermique convertit tous les gaz C[indice inférieur 2] -C[indice inférieur 3] , à l'exception de l'éthane, pour lequel une cinétique a été établie, et d'une légère production d'acétylène. L'ajout d'un lit fixe contenant du char a augmenté la conversion des gaz C[indice inférieur 2] -C[indice inférieur 3] et a même permis la conversion de 30 % du méthane à une température aussi basse que 925[degrés Celsius]. Par contre, l'ajout de char transporté par le gaz de synthèse à des concentrations moindres n'a pas eu d'effet observable sur la conversion des gaz C[indice inférieur 1]-C[indice inférieur 3].Le char transporté a cependant augmenté le taux de la réaction de water gas shift , ce qui permet un meilleur ajustement du ratio H2 /CO et une synthèse optimale dans les étapes catalytiques subséquentes.

Ce travail porte sur l'étude des potentiels du procédé de gazéification thermique (conversion en gaz combustible de la matière organique et du carbone fixe) pour associer traitement et valorisation (matière et énergie) durable des boues de station d'épuration. De ce procédé, il émane des rejets polluants (conséquences de la composition des boues, notamment des teneurs en métaux et azote). Dans un premier temps, la distribution des métaux entre les phases (solide et gaz) est examinée, en fonction des conditions opératoires du procédé. La localisation (phases porteuses), la spéciation et la mobilité des métaux retenus dans le solide obtenu sont aussi étudiées, afin de déterminer les risques environnementaux qu'il entraîne. Le suivi de la production de composés azotés et soufrés montre ensuite que température et atmosphère sont les paramètres opératoires clé. Grâce à cela, un procédé bi-étagé en température, avec un premier étage de dépollution et un deuxième étage de production de gaz combustibles est proposé. Enfin, la base d'un modèle théorique portant sur l'hydrodynamique et la cinétique dans un réacteur de gazéification à lit fluidisé est proposée. / This work focuses on the potential of thermal gasification process (organic matter and fixed carbon conversion to combustible gases) to combine sustainable sewage sludge treatment and valorization (matter and energy). Some pollutants are produced by this process (as a consequence of the sewage sludge composition, mainly metal and nitrogen's content). Firstly, the influence of operating conditions on metal's distribution among the phases (solid and gas) is investigated. The localization (bearing phases), speciation and mobility of metals retained in the produced solid are also analyzed, aiming to determine the environmental risks which they involve. Next, produced nitrogen and sulfur compounds are followed, showing that temperature and treatment atmosphere are the main parameters. Those findings allowed us to propose à two-thermal-stage process, the first stage aiming to get rid of pollutants in the solid and the second one aiming to produce combustible gases. Finally, a theoretical model basis concerning hydrodynamics and kinetics in a fluidized bed is proposed.

La gazéification est un procédé de conversion thermochimique permettant de convertir un combustible solide en gaz de synthèse (syngaz), composé notamment de H2 et CO. L’utilisation de déchets non-dangereux sous forme de CSR doit, en plus de fournir une énergie avec de bons rendements, respecter les normes environnementales. Nos travaux évaluent les performances énergétiques et environnementales de la gazéification à l’air de CSR (bois, pneus, plastiques, boues de STEP) en réacteurs en lit fixe co-courant à l’échelle pilote et industrielle. Les méthodes d’analyse utilisées permettent un suivi de la composition du syngaz, ainsi que des polluants (soufrés, azotés, goudrons, métaux lourds) dans les effluents du procédé, par rapport à une ressource propre (bois brut). Les performances de gazéification du CSR Bois sont identiques au Bois. Cependant un ajout de 20%m de CSR Pneus, Plastique ou Boues de STEP à du CSR Bois conduit à une diminution de H2 et CO compensée par une augmentation d’hydrocarbures légers (CH4, C2), conduisant à un pouvoir calorifique similaire, compris entre 4,9 et 5,4 MJ/Nm3. Les performances de gazéification sont légèrement plus fiables avec les mélanges de CSR, entre 35 et 49% alors qu’elles atteignent 48 à 52% pour le Bois et le CSR Bois. Par rapport au Bois, seuls les composés azotés sont en plus grand nombre pour le CSR Bois. Pour les mélanges de CSR, les teneurs en goudrons, composés soufrés et azotés sont plus élevées. De plus, les teneurs en métaux lourds sont plus élevées dans les fines particules que dans les charbons, demandant probablement un traitement particulier. / Gasification is a thermochemical conversion process converting solid fuel into synthetic gas (syngas), containing H2 and CO. Sorting waste to produce SRF aims to allow a better energy recovery of waste, while satisfying environmental regulations. This study focuses on energetic and environmental performances of the air gasification of SRF (wood, tire, plastics, sewage sludge) using downdraft fixed bed reactors at pilot and industrial scale. Analytical procedures allow quantification of syngas composition as well as pollutant contents (sulfur, nitrogen, tars, heavy metals) in gasification outlet streams, considering raw wood as a reference. SRF Wood gasification performances are identical to Raw Wood. However adding 20%w of SRF Tire, Plastics or Sewage Sludge to SRF Wood leads to a decrease in H2 and CO contents, balanced by an increase in light hydrocarbons (CH4, C2), resulting in a similar syngas calorific value, ranging between 4.9 and 5.4 MJ/Nm3. Gasification performances are slightly lower with SRF mixes, ranging between 35 and 49%, while reaching 48 to 52% for Raw Wood and SRF Wood. Compared to Wood, only nitrogen containing pollutants are in higher concentrations with SRF Wood. In the case of SRF mixes, tars, sulfur and nitrogen containing pollutants are in higher concentrations. Moreover, heavy metals contents are higher in fine particles than in chars, resulting in a particular post-treatment.

Les carburants BtL (Biomass to Liquid) font partie des carburants alternatifs au pétrole dits de seconde génération car synthétisés à partir de biomasse solide (contenant de la lignocellulose). Le procédé de fabrication de tels carburants par voie thermochimique repose sur deux étapes successives : la gazéification de la biomasse suivie par un procédé de Fisher-Tropsch. Certains éléments contenus dans la biomasse comme les sels alcalins peuvent se retrouver après l'étape de gazéification et être à l'origine d'attaques sous forme de sels fondus et ainsi endommager les infrastructures. Le travail réalisé dans ce manuscrit consiste à simuler la corrosion de parois d'échangeur thermique en présence de sulfate et chlorure de sodium sous atmosphère de gazéification (CO/H2/CO2) très faiblement oxydante (~ 10−18 bar). Afin de comparer les résultats à ceux issus de la bibliographie, les essais ont également été conduits sous atmosphère fortement oxydante (Ar/O2). Les essais réalisés sur alliage chrominoformeur, HR-120 (38Ni-34Fe-25Cr) à une température de 900°C en présence de sulfate de sodium en milieu faiblement oxydant ont mise en évidence une corrosion de type catastrophique localisée et réversible de l'alliage. Le comportement de l'alliage aluminoformeur, 214 (76Ni-16Cr-4Al) apparaît plus protecteur dans des conditions similaires. En présence de chlorure de sodium, les deux alliages se comportent d'une manière totalement identique : corrosion catastrophique en milieu fortement oxydant et impact du sel négligeable sous atmosphère faiblement oxydante. Un chapitre remède prometteur a été développé en fin de manuscrit.

Parmi les procédés de conversion de la biomasse, la gazéification à l’air présente l’avantage d’un rendement de conversion électrique attractif, en particulier pour les petites puissances. Cependant, l’élimination des goudrons générés reste un verrou à lever pour permettre l’émergence industrielle du procédé de gazéification. Le traitement par absorption est considérée comme technologiquement mature mais le choix du solvant de lavage, sa gestion et l’optimisation du laveur représentent un élément crucial. Afin de mettre en avant les solvants envisageables, une méthodologie rapide et robuste de choix de solvant basée sur une analyse multicritère a été développée. La comparaison de plus d’une centaine de solvants conventionnels a permis de mettre en avant deux solvants. Afin d’étudier des performances de ces solvants, un pilote de lavage de type Venturi (laveur compact présentant une aire interfaciale importante et peu de risque d’encrassement) a été dimensionné et caractérisé. L’étude expérimentale sur gaz réel a permis d’une part d’étudier l’évolution de la charge en goudron dans le solvant et d’autre part de mesurer les efficacités de traitement des solvants sur le benzène, le naphtalène, l’anthracène et le pyrène. Ces données expérimentales ont ensuite été utilisées afin de valider la modélisation du laveur Venturi effectuée dans l’optique d’une optimisation et d’une extrapolation à l’échelle industrielle de l’unité de lavage. Afin d’estimer le coût de traitement en €/MWh, le dimensionnement des équipements à l’échelle industrielle a été effectué pour les deux solvants dans différents cas de figure afin d’effectuer leur évaluation technico-économique. / Among biomass conversion processes, air gasification has the advantage of an attractive electrical conversion yield, especially for small powers. However, the elimination of the generated tar remains a lock to lift to allow the industrial emergence of the gasification process. The treatment by absorption is considered to be technologically mature but the choice of cleaning solvent, its management and the optimization of the scrubber represent a crucial element. In order to highlight possible solvents, a fast and robust solvents screening methodology based on a multi-criteria analysis was developed. Comparison of more than 100 of conventional solvents allowed to forward two solvents. To investigate performance of these solvents, a pilot scale Venturi scrubber (compact scrubber with a large Interfacial area and low risk fouling risk) has been designed and characterized. The experimental study on real raw gas allowed to study the evolution of the tar loading factor in the solvent and to measure treatment efficiencies of solvents on benzene, naphthalene, anthracene and pyrene. These experimental data were then used to validate the modelling of the Venturi scrubber in the context of optimization and extrapolation on the industrial scale of the washing unit. In order to estimate the cost of treatment in €/ MWh, the sizing of the equipment on an industrial scale has been made for two solvents in different cases in order to process to a technico-economical evaluation.

L’épuisement des ressources fossiles et la nécessité de réduire les émissions de gaz à effet de serre incitent à rechercher de nouvelles sources d’énergie à la fois renouvelables et moins polluantes. La biomasse, par son abondance, apparaît comme une filière intéressante de remplacement des énergies fossiles et notamment du pétrole. L’objectif de ce travail est d’effectuer une analyse 4E (Energétique, Exergétique, Environnementale et Economique) d’un système de production de l’électricité via la gazéification des déchets de palmiers. Ces derniers constituent l’une des richesses végétales les plus abondantes en Tunisie et qui de nos jours, restent très peu exploitées. Un gazéifieur à lit fixe couplé à un moteur à combustion interne est considéré pour produire 330kW d’électricité. Le rendement de gazéification « Cold Gaz Efficiency » du procédé est de 58,58%. Les résultats montrent que les rendements énergétique et exergétique du système étudié sont de 22,6% et 19,22%, respectivement. Les performances environnementales du système sont évaluées à l’aide d’une Analyse de Cycle de Vie (ACV). L’évaluation économique est réalisée dans le but d’évaluer le coût de production de l’électricité par l’installation de gazéification. Les résultats donnent un coût de 3,88ct€ pour 1kWh. / The fossil fuels depletion and the need to reduce greenhouse gas emissions encourage the search for new energy sources that are renewable and less polluting. Thanks to its abundance, biomass appears as an interesting sector of replacement of fossil fuels. The objective of this work is to perform a 4E analysis (Energy, Exergy, Environmental and Economic) of an electricity production system via the gasification of palm waste. Palm watse constitutes one of the most abundant vegetable wealth in Tunisia and which today, remain very little exploited. A fixed bed gasifier coupled to an internal combustion engine is considered to produce330 kW of electricity. The Cold Gas Efficiency of the process is 58.58%. The results show that the energy and exergy yields of the system are 22.6% and 19.22%, respectively. The environmental performance of the system is evaluated using a Life Cycle Assessment (LCA). The economic evaluation is carried out in order to evaluate the cost of electricity production by the gasification plant. The results give a cost of 3.88 ct€ for 1kWh.

La conversion thermochimique de la biomasse en lit fluidisé circulant permet la production d’un gaz à haute valeur ajoutée, utilisable dans de nombreuses applications. L’objectif de ces travaux est de mieux comprendre et modéliser les phénomènes couplés, hydrodynamiques et réactifs, se déroulant en lit fluidisé circulant. Dans un premier temps, un pilote de pyrogazéification de 20 kg/h de biomasse en lit fluidisé circulant a été conçu. L’étude hydrodynamique de ce pilote a ensuite été réalisée entre 20 et 950 °C. Les résultats ont permis d’établir des règles de design et de fonctionnement de réacteurs de gazéification en lit fluidisé circulant. Dans un second temps, une étude de la pyrogazéification de la biomasse a été réalisée en lit fluidisé dense ainsi qu’en lit fluidisé circulant, entre 750 et 850 °C. L’étude de l’influence de nombreux paramètres opératoires (températures, pression partielle de la vapeur d’eau, débit de biomasse, débit de circulation, inventaire et nature du média, forme de la biomasse) sur les performances de la gazéification a permis d’identifier les paramètres clés permettant de contrôler la composition ainsi que le volume de gaz de synthèse produit. Par ailleurs, à partir des résultats expérimentaux, un schéma réactionnel est proposé pour la pyrolyse de la biomasse étudiée. Enfin, un outil de modélisation du réacteur de gazéification de la biomasse en lit fluidisé dense et circulant, intégrant les réactions de pyrolyse, de gazéification, de water-gas shift et de reformage des goudrons a été développé et validé sur les résultats expérimentaux.