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Quels sont les étapes de la formation du charbon ?
Dans les tourbières, les végétaux se décomposent pour devenir de la tourbe (constituée à 50% de carbone) ; les zones boisées produisent du lignite. Puis, par enfouissement, ces dépôts carbonés se transforment progressivement en houille. Les charbons de haut rang se forment à plus de 10 km de profondeur.9 jan. 2018Comment se forme le charbon enseignement scientifique ?
Le charbon se forme au cours de la subsidence de la matière organique issue des végétaux morts. Au cours de cette subsidence , la matière organique s'appauvrit en hydrogène et en oxygène et s'enrichit donc relativement en carbone.Quels sont les différents types de charbon ?
Les principaux types de charbon sont l'anthracite, le lignite, le sous-bitumineux et le charbon bitumineux. Le type de charbon est une fonction de l'endroit où il a été formé et de son degré d'évolution.- Les cadavres d'animaux et les végétaux ont été immergés et, ainsi isolés de l'air, se sont décomposés sous l'action de bactéries anaérobies. Cet enfouissement a permis une augmentation de la pression et de la température, accélérée par la subsidence.
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Université de HAUTE-ALSACE
ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES CHMIQUES ED222
Laboratoire Gestion des Risques et Environnement (EA 2334)THÈSE Présentée par
Sami ZELLAGUI
Le 17 novembre 2016
Pour obtenir le grade de : -Alsace
Discipline/Spécialité : Génie des procédés Pyrolyse et combustion de solides pulvérisés sous forts gradients thermiques.Caractérisation de la dévolatilisation, des
matières particulaires générées et modélisation.THÈSE dirigée par :
M. BRILHAC Jean-François Professeur, Université de Haute-AlsaceRAPPORTEURS :
M. SALVADOR Sylvain Professeur, Ecole des Mines-Albi M. GARO Jean-Pierre Professeur, Université de PoitiersAUTRES MEMBRES DU JURY :
M. PAUWELS Jean-François Professeur, Université de Lille 1Mme. PORCHERON Lynda Docteur, EDF R&D
M. SCHONNENBECK Cornelius Maitre de conférences, Université de Haute-Alsace Mme. ZOUAOUI Nabila Maitre de conférences, Université de Haute-AlsaceRemerciements
Ce travail a été réalisé dans le cadre des activités de recherche du Laboratoire Gestion
des Risques et Eà Jean-François Brilhac,
confié ce sujet, ainsi que pour ces encouragements, conseils précieux, motivation et suivi Un grand merci à Cornelius qui a co-encadré cette thèse. Merci pour le temps que tu s accordé, ton encadrement et tes encouragements durant ces trois années. Chère Nabila, je te remercie tout spécialement, pour ta gentillesse, ta disponibilité, ton encadrement et ton soutien dans les moments les plus difficiles travaillé avec toi. Un merci tout particulier à Gwenaëlle pour sa participation à ces travaux de thèse, sa taquinerie, " divers » de son ordinateur . Je tiens à remercier Messieurs Sylvain Salvador et Jean-Pierre Garo pour avoir accepté de juger ce travail, et monsieur Jean-François jury de cette thèse. Je remercie également Madame Lynda Porcheron pour avoir accepté defaire partie du jury de cette thèse et pour les précieux échanges au cours des réunions dans le
cadre du projet effectué avec EDF. pour leur aide r au cours de ces trois années. soutenir tout au long de mes études. À mon cher frère Adem, mes chères Selma, Sarah et Soussou, mon cher neveu Yacine (Yayine) et tous mes amis durant ces trois années.Sami Zellagui
Table des matières
Table des matières
Introduction générale .......................................................................................... 1
Chapitre I. Etude bibliographique
I.1 Introduction .................................................................................................... 7
I.2 Les combustibles solides ................................................................................ 7
I.2.1 Le charbon .................................................................................................................... 7
I.2.2 La biomasse .................................................................................................................. 9
I.3 Propriétés physico-chimiques des combustibles solides........................... 11I.3.1 Analyse élémentaire ................................................................................................... 11
I.3.2 Analyse immédiate ..................................................................................................... 12
I.3.3 Analyse chimique des cendres ................................................................................... 13
I.3.4 Structure moléculaire des charbons ......................................................................... 15
I.3.5 Composition structurelle de la biomasse lignocellulosique .................................... 15
I.3.6 Contenu énergétique des combustibles .................................................................... 17
I.4 Conversion thermique des combustibles solides ....................................... 18I.4.1 Pyrolyse ....................................................................................................................... 18
I.4.2 Combustion ................................................................................................................. 25
.......................................... 26I.4.5 Gazéification ............................................................................................................... 29
I.4.5 Co-combustion ............................................................................................................ 30
I.5 Dispositifs de la conversion thermique des combustibles solides ............ 31I.6 Généralités sur le dispositif expérimental four à chute ........................... 33
I.6.1 Principe de fonctionnement ....................................................................................... 33
I.6.2 Echauffement du gaz réactionnel et des particules ................................................. 34
I.6.3 Vitesse de chute des particules .................................................................................. 35
I.7 Etudes expérimentales de la pyrolyse en four à chute ............................. 36I.7.1 Influence de la température et de la nature du combustible .................................. 36
I.7.2 Influence du temps de séjour .................................................................................... 37
..................................................................... 39Table des matières
I.8 Impact environnemental de la conversion thermique des combustibles 40I.8.1 Impact des matières particulaires sur la santé ........................................................ 40
I.8.2 Mécanismes de formation .......................................................................................... 41
I.8.3 Etudes expérimentales sur les émissions de matières particulaires ...................... 44
I.9 Modélisation cinétique de la pyrolyse ........................................................ 53
I.9.1 Pyrolyse du charbon .................................................................................................. 54
I.9.2 Pyrolyse de la biomasse ............................................................................................. 55
I.10 Conclusion .................................................................................................. 57
Chapitre II. Dispositifs expérimentaux et caractérisation des combustiblesII.1 Introduction ................................................................................................ 61
...................................... 61II.2.1 Description et caractérisation thermique du four à chute .................................... 61
II.2.2 Analyse thermogravimétrique ................................................................................. 69
II.3 Dispositifs analytiques ............................................................................... 70
............................................................................................... 71II.3.2 Impacteur électrique à basse pression (ELPI) ....................................................... 72
II.4 Caractérisation des combustibles solides ................................................. 75
II.4.1 Préparation des échantillons ................................................................................... 76
II.4.2 Analyse immédiate .................................................................................................... 77
II.4.3 Analyse élémentaire .................................................................................................. 78
II.4.4 Analyse chimique des cendres ................................................................................. 79
II.4.5 Pouvoir calorifique ................................................................................................... 79
II.4.6 Distribution en taille des particules ........................................................................ 79
II.4.7 Détermination du taux de dévolatilisation en FàC ................................................ 79
II.5 Résultats de caractérisation des solides ................................................... 82
II.6 Discussion et Conclusion ........................................................................... 84
Chapitre III. Etudes thermogravimétriques
III.1 Introduction et méthodologie .................................................................. 87
III.2 Etude de la dégradation thermique du charbon par ATG ................... 88Table des matières
III.2.1 Conversion thermique du charbon sous azote ..................................................... 88
III.2.2 Conversion thermique du charbon sous dioxyde de carbone ............................. 88III.2.3 Conversion thermique du charbon sous air ......................................................... 89
III.2.4 Conversion thermique du charbon da ........ 92 III.2.5 Influence de la vitesse de chauffe sur la combustion du charbon ....................... 94 III.2.6 Influence de la température finale de chauffe sur la combustion du charbon .. 95 III.3 Etude de la dégradation thermique de la biomasse par ATG .............. 96III.3.1 Conversion thermique de la biomasse sous azote ................................................ 96
III.3.2 Conversion thermique de la biomasse sous dioxyde de carbone ........................ 97III.3.3 Conversion thermique de la biomasse sous air .................................................... 97
... 99 III.3.5 Influence de la vitesse de chauffe sur la combustion de la biomasse ................ 100 III.3.6 Influence de la température finale de chauffe sur la combustion de la biomasse............................................................................................................................................ 100
III.4 Comparaison entre les résultats du charbon et de la biomasse ......... 101 III.5 Co-combustion charbon et biomasse .................................................... 103III.6 Conclusion ............................................................................................... 109
Chapitre IV. Etude de la pyrolyse en FàC
IV.1 Introduction ............................................................................................. 113
IV.2 Pyrolyse du charbon ............................................................................... 113
IV.3 Pyrolyse de biomasse .............................................................................. 115
IV.4 Tests de répétabilité ................................................................................ 116
IV.5 Comparaison entre la pyrolyse lente et rapide .................................... 117 IV.6 Comparaison entre la pyrolyse sous N2 et sous CO2 ........................... 118IV.6.1 Taux de matières volatiles .................................................................................... 118
IV.6.2 Analyse des gaz ...................................................................................................... 121
IV.6.3 Analyse des résidus carbonés ............................................................................... 123
VI.6.4 Comportement singulier du charbon Pittsburgh ............................................... 125
IV.7 Conclusion ............................................................................................... 126
Table des matières
Chapitre V. Etude paramétrique des émissions de matières particulaires (PM) lors de la combustion de solides pulvérisés en four à chuteV.1 Introduction .............................................................................................. 131
V.2 Protocole expérimental et méthodologie ................................................ 132
V.2.1 Protocole expérimental ........................................................................................... 132
........................................................................ 134 V.3 Etude paramétrique : résultats et discussions ....................................... 138V.3.1 Résultats ................................................................................................................... 138
V.3.2 Discussions ............................................................................................................... 140
V.4 Conclusion ................................................................................................. 155
Chapitre VI. Modélisation de la pyrolyse
VI.1 Introduction ............................................................................................. 159
VI.2 Pyrolyse du charbon ............................................................................... 159
VI.2.1 Hypothèses du modèle ........................................................................................... 160
VI.2.2 Equations du modèle ............................................................................................. 161
VI.2.3 Calcul et optimisation cinétique ........................................................................... 165
VI.2.4 Résultats ................................................................................................................. 165
VI.3 Pyrolyse de la biomasse .......................................................................... 168
VI.3.1 Modèle SRM .......................................................................................................... 168
VI.3.2 Modèle IPR appliqué à la décomposition de la biomasse en ATG ................... 169
VI.3.2 Intercomparaison des résultats des modèles SRM et IPR ................................. 172
VI.3.3 Détermination de paramètres cinétiques communs applicables aux résultats duFàC et ATG avec le modèle IPR ...................................................................................... 174
VI.4 Conclusion ............................................................................................... 175
Conclusion générale ........................................................................................ 177
Annexes ............................................................................................................. 181
Références ........................................................................................................ 193
Introduction générale
1Introduction générale
ème siècle le charbon du bois était une source employée essentiellement pour le chauffage. Au 19ème siècle, la découverte du charbon industrielle, qu ont devenues plus performantes. . Cun contributeur incontournable du bouquet énergétique car il assure 40(IEA,2013). Il peut également z de synthèse
pour la formulation des carburants (procédé Fischer-Tropsch). De plus, son abondance, ces aient voir un rôle important sur la scène énergétique mondiale.Malgré son avantage économique, le charbon représente des inconvénients liés surtout à
n. Les impuretés de cette 2 (NOx de carbone, principal gaz à effet de serre (G au réchauffement climatique. entre le 29 novembre et le 12 décembre 2015, de nouvelles exigences environnementales ont climatique. Pour atteindre cet objectif, la concentration en CO2 dépasser 450 ppm aux alentours de 2050 (Lecomte et al., 2009). lutter contre cette forme de pollution, les efforts des chercheurs se sont orientés vers des n pour produire plus en réduisant le plus possible les impacts environnementaux.Introduction générale
2Parmi ces concepts, la notion de charbon propre a été introduite. Elle consiste à
, afin2, ce qui facilite la récupération de ce gaz à effet
de serre par les techniques de capture et séquestration. Cette technique permet aussi de réduire
les émissions des autres polluants, tels que les oxydes x) et les oxydes de soufre (SOx) (Fujimori and Yamada, 2013). Une autre solution envisagée la renouvelable est connue pour ses émissions de carbone neutre (Soncini et al., 2013) et la combustion présente le moyen le plus économique de son utilisation. Ces solutions sont principalement destinées à limiter la pollution atmosphérique atmosphériques. Elle concerne la pollution particulaire. Contrairement aux GES qui ont un elle de toute la plante, les matières particulaires (PM) ont un effet des combustibles solides tels que le charbon ou la de PM. Les réglementations surles émissions de polluants particulaires sont de plus en plus strictes. La maitrise de
r limiter lesémissions de PM.
Le charbon ainsi que la biomasse sont des combustibles utilisés dans les centrales fonctionnementde ces centrales nécessite des études amont de caractérisation des combustibles et de
modélisation de leur pyrolyse et combustion avec des outils CFD. est considérée dans le cadre de ces travaux de thèse.Pour la réalisation de cette étude, il est bien sûr nécessaire de reproduire expérimentalement le
plus fidèlement possible, les conditions qui prévalent lors de la combustion des charbons etbiomasses pulvérisés dans les centrales thermiques. Outre une composition des gaz bien
à une vitesse de plus de 10 000 K s-1.
un des objectifs de la thèse est de développer un nouveau dispositif expérimental au -industriel permettant decaractériser les combustibles solides dans des conditions similaires à celles des chaudières
Introduction générale
3solides sous forme pulvérisée (charbon/biomasse) a été démontrée dans des précédentes
études (Chen et al., 2012; Lester et al., 1993). Le FàC développé permettra ainsi mécanismes de pyrolyse et combustion de charbons et biomasses sous forts gradients detempérature, de caractériser les polluants émis avec une attention toute particulière aux
particules fines et ultrafines et de modéliser les processus de pyrolyse. En propospréliminaires, il convient de noter que durant la combustion des solides pulvérisés, leur
plusieurs étapes : la pyrolyse, la combustion du gaz et la combustion du résidu solide. La pyrolyse est une étape déterminante car elle conditionne émissions des polluants gazeux et particulaires (Solomon and Fletcher, 1994; Solomon et al.,1993). Une meilleure dévolatilisation de charbon conduit à une combustion plus efficace
(Steer et al., 2015). La dévolatilisation est une étape complexe du processus de dégradation
thermique et ceci justifie le grand intérêt qui lui est porté dans cette étude. Ce manuscrit de thèse est divisé en six chapitres : Le premier chapitre est une étude bibliographique où des généralités sur les combustibles solides et leurs conversions thermiques sont présentées. Une analyse sur lesétudes expérimentales disponibles dans la littérature concernant la pyrolyse du charbon et de
la biomasse en four à chute est présentée. La seconde partie de ce chapitre concerne deslors de la combustion de solides pulvérisés. Enfin, une brève revue des principaux modèles
développés et utilisés pour simuler la pyrolyse du charbon et de la biomasse est présentée.
Dans le second chapitre, les méthodes expérimentales et les dispositifs utilisés pourpour réaliser les expériences à fortes vitesses de chauffe est présentée ainsi que le dispositif
chauffe. Les dispositifs analytiques associés au FàC sont ensuite décrits. Enfin, les méthodes
de caractérisation des combustibles solides ainsi que les résultats correspondants sont fournis.
Dans le troisième chapitre, les résultats expérimentaux concernant le comportement thermique des combustibles en analyse thermogravimétrique (ATG) sous différentesatmosphères contrôlées sont présentés et analysés. Les atmosphères correspondant à différents
procédés ont été testées (pyrolyse sous CO2 et sous N2, combustion, oxycombustion et co-
Introduction générale
4 vitesse de chauffe) sur le comportement thermique des échantillons a été aussi testée. Dans le quatrième chapitre, la pyrolyse sous fort gradient de température, en four àchute, du charbon et de la biomasse a été étudiée pour des températures comprises entre 700
°C et 1400 °C et pour des temps de séjour compris entre 0,1 et 1,5 s. La2. Ensuite, dans
oxycombustion, la pyrolyse sous N2 (correspondant aux conditions de combustion sous air) et la pyrolyse sous CO2(oxycombustion) ont été comparées sur différents charbons à différentes températures (de 800
°C à 1400 °C). de ces charbons aégalement été effectuée à 1000 °C et à 1400 °C, sous les deux atmosphères (N2 et CO2).
Dans le cinquième chapitre, les travaux présentés concernent émissions dematières particulaires (PM) fines et ultrafines PM2.5 (particules de diamètre inférieur à 2.5
ȝ sous forts gradients de température.
Le dispositif four à chute a été utilisé pour évaluer les émissions de particules lors de la
combustion. Le but est de démontrer en quoi la quantité de ces particules mesurées par un ELPI (electrical low pressure impactor) est affectée par la nature du combustible solide et parO2/CO2 pour simuler
de séjour ont été testés sur deux échantillons de référence (charbon AFSIAF et bois de hêtre).
Le dernier chapitre porte sur la modélisation cinétique du phénomène de pyrolyse. Pourles différents charbons testés, les paramètres cinétiques de pyrolyse ont été déterminés à partir
du schéma cinétique proposé par Kobayashi (Kobayashi et al., 1977). Pour la modélisation de
la dévolatilisation de la biomasse, deux modèles ont été utilisés : un modèle SRM (single
expérimentaux de la pyrolyse rapide en four à chute, et un modèle IPR (independent parallelquotesdbs_dbs41.pdfusesText_41[PDF] calcul avec racine carré seconde
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