Les Syngas ou gaz de synthèse

Production combinée de chaleur et d'électricité
Le bio-methane de 2éme génération

PTC System et la purification des Syngas de déchets solides

La « gazéification » désigne une transformation thermochimique consistant à décomposer par la chaleur un solide combustible carboné (charbon, biomasse) en présence d’un réactif gazeux (gaz carbonique, vapeur d’eau puis oxygène/air) dans le but d’obtenir un mélange gazeux combustible.
La réaction de gazéification se passe dans des conditions de température très élevées (plus de 1 000 °C).
Le gaz de synthèse obtenu à la fin, appelé « syngas » est un mélange de deux gaz combustibles :

Le monoxyde de carbone (CO) et l’hydrogène (H2).

Les "Syngas" également appelés gaz de synthèse, gaz synthétiques ou gaz de gazogène, peuvent être produits à partir de différentes matières contenant du carbone.
Elles incluent notamment la biomasse (gaz de bois), les matières plastiques, le charbon, les déchets ménagers ou matières similaires.
Un syngas est un mélange gazeux combustible produit par pyrolyse. C'est un gaz pauvre et sale, toxique, acide, et corrosif s'il n'a pas été soigneusement épuré.
Historiquement, les gaz de ville étaient utilisés pour alimenter de nombreuses résidences en Europe, et dans d’autres pays au cours du 20ème siècle.

Composition moyenne des syngas:

Substance
Composition (%)
Hydrogène (H2)
20-40
Monoxyde de carbone (CO)
35-40
Dioxyde de carbone (CO2)
25-35
Méthane (CH4)
0-15
Azote (N2)
2-5

La gazéification génère de nombreux composés dont on doit se débarrasser:

Goudrons, NOx, dioxines et furanes, HCL, H2S, poussières, mercure et autres composés à l'état de traces.

Ainsi les constituants du syngas à traiter sont :

  • l'acide chlorhydrique (HCl)
  • l’ammoniac (NH3),
  • le sulfure d’hydrogène (H2S),
  • les métaux lourds,
  • les poussières – polluants particulaires (solides/carbone, liquides/aérosols, …),
  • les goudrons,
  • les HAP (Hydrocarbures aromatiques polycycliques),
  • les COV (Composés Organiques Volatils),
  • les composés bromés et iodés,
  • l’azote (N2),
  • le dioxyde de carbone (CO2),
  • les inorganiques et les alcalins.

Le tableau suivant présente les formes sous lesquelles les constituants sont présents en milieu réducteur, comparés à celles en milieu oxydant (incinérateur par exemple) :

Elément
Milieu oxydant (combustion)
Milieu Réducteur (gazéification)
Soufre SOx H2S (majoritaire), COS, CS2
Azote NOx N2, HCN, NH3
Chlore HCl HCl, NaCl, KCl, PbCl2, …
Plomb PbO, PbCl2 PbS, PbCl2
Mercure HgO, HgCl2 Hg0 (majoritaire), HgCl2, HgS
  • Techniques d’abattage au sein même du gazéifieur:
    Des absorbeurs ou des catalyseurs sont mélangés à la charge pour traiter le H2S (ajout d’oxyde de calcium) et les goudrons (par réaction catalytique avec la vapeur d’eau et le CO2).

  • Techniques d’abattage dans des équipements connexes:
    Filtration des poussières (cyclones ou électrofiltres), lavage à l’eau ou craquage catalytique à haute température pour l’abattage des goudrons, l’abattage du H2S par absorption (lavage chimique ou solvant), capture du HCL par lavage à l’eau ou sur absorbant, captation des métaux par charbon actifs (mercure en particulier).

Un verrou technologique commun aux syngas:
L'élimination des goudrons produits lors de la pyrolyse de la biomasse (encrassements, corrosion, désactivation des catalyseurs de méthanation…)
Il existe un grand nombre de technologies pour l’élimination des goudrons. On rencontre couramment des solutions de condensation et d’absorption des goudrons au moyen d’un solvant organique par exemple ou des systèmes de traitement à haute température tels que des craqueurs thermiques ou des vaporeformeurs.

Le syngas est utilisé principalement :

    • Comme source de production de chaleur
    • Comme source de production d’électricité par l’action du gaz sur des turbines
    • Comme source de production d’hydrogène, de méthanol et de méthane par traitement chimique
    • Comme source de production de carburant de synthèse par le procédé Fischer-Tropsch

Avantages du syngas :

    • Production d'énergie renouvelable
    • Conversion des déchets problématiques en combustibles utiles
    • Production économique d'énergie sur le site et réduction des pertes de transmission
    • Réduction des émissions de carbone

Comment produit-on le syngas ?

Plusieurs réactions successives sont nécessaires. L’ensemble de ce processus est appelé gazéification.
Il nécessite, à partir d’une matière organique, d’obtenir au préalable dans le réacteur de la vapeur d’eau (H2O) et du carbone (C) et de produire une chaleur suffisante pour la réaction finale de gazéification.
Quatre étapes successives, fortement couplées, sont nécessaires, la troisième produisant la chaleur requise par les trois autres.

  • 1ère étape : séchage de la matière pour produire de la vapeur d’eau
    Cette étape se déroule à des températures comprises entre 100°C et 160°C. Sous l’effet de la chaleur, l’eau contenue dans la matière organique s’évapore. Le combustible carboné résultant est sec et de différentes natures (charbon, biomasse, etc.). Dans le cas de produits non homogènes, une phase préalable (tri, broyage) est nécessaire avant d’introduire cet intrant dans le gazéifieur.
  • 2ème étape : pyrolyse des intrants pour obtenir du coke (résidus de carbone) et des gaz de pyrolyse
    Cette étape sans oxygène (anaérobie) se déroule à des températures situées entre 120 °C et 600 °C. Elle est dite "autothermique" car elle ne produit ni ne consomme d’énergie.
    En augmentant progressivement la température en l’absence d’oxygène, la matière séchée se décompose et les atomes de carbone s’associent entre eux.
    Il se forme alors du carbone réducteur presque pur (coke ou résidus de carbone) et un mélange de gaz oxydants non-condensables composés majoritairement d’oxyde de carbone (CO) et d’hydrocarbures (CH4) appelés "gaz de pyrolyse" ; des goudrons et des matières volatiles condensables issues de vapeurs de composés organiques (acides acétiques, aldéhydes, etc...).
  • 3ème étape : oxydation des gaz de pyrolyse pour générer une chaleur suffisante à la gazéification
    Cette étape se déroule en présence d’oxygène à des températures comprises entre 1 200°C et 1 500°C.
    Les matières volatiles issues de la pyrolyse s’oxydent. Cette combustion dégage la chaleur nécessaire aux deux étapes précédentes et à l’étape suivante de la gazéification. Elle nécessite un fort apport en oxygène.
  • 4ème étape : la réduction ou « gazéification » du carbone pour produire le syngas
    Cette étape se déroule à des températures comprises entre 800 °C et 1200° C. En l’absence d’oxygène, le coke obtenu lors de la phase de pyrolyse réduit la vapeur d’eau et le gaz carbonique obtenus dans l’étape précédente respectivement en hydrogène et en oxyde de carbone pour former du syngas, combustible d'un mélange en proportions variables CO et H2.

Les différents procédés de gazéification

Le procédé à lit fixe, Il peut être soit à co-courant soit à contre-courant.
  • Procédé à co-courant
    Les différentes étapes de la réaction de gazéification sont successivement réalisées de haut en bas dans le réacteur.
    La matière organique est d’abord introduite à son sommet.
    De l’air est injecté à mi-hauteur pour amorcer la combustion et fournir de la chaleur à l’ensemble du réacteur.
    L’augmentation progressive de la température permet d’obtenir les différentes réactions entraînant les gaz produits vers la zone la plus chaude du réacteur.
    Le syngas est récupéré au niveau du socle du gazeifieur

  • Procédé à contre-courant
    L’air est injecté à la base du réacteur et le syngas est récupéré sous son sommet, au dessus de la zone de pyrolyse.
    Les goudrons sont moins nombreux à s’échapper du réacteur et l’encrassement des conduits est donc plus limité.


    •
      Le procédé à lit fluidisé statique.
      Par ce procédé, les particules sont mises en suspension dans le réacteur par injection à sa base d’un gaz qui va "soulever" les grains.
      Cela favorise les échanges thermiques et massiques entre le gaz et le solide.
      Dans ce type de réacteur, les différents mécanismes de séchage, pyrolyse, combustion ou oxydation ont lieu dans une seule et même zone.
    • Le procédé à lit fluidisé entraîné.
      Le solide combustible carboné est finement pulvérisé dans un jet d'oxygène.
      La réaction chimique s’effectue à très haute température et à pression élevée.
      Cela empêche les goudrons et le méthane de se former, les gaz produits en sont ainsi exempts. Le rendement en gaz est donc élevé.
      Cependant, le procédé à lit fluidisé entraîné nécessite une forte consommation en oxygène.
      Par ailleurs, le coût de la pulvérisation préalable du solide combustible carboné est élevé car il faut obtenir une biomasse ou du charbon finement divisé.

Les syngas à partir de la biomasse

La biomasse peut être utilisée sous forme solide, liquide ou gazeuse. La biomasse liquide correspond aux effluents d'élevage valorisés par méthanisation mais aussi aux biocarburants.
La biomasse gazeuse correspond au gaz de synthèse (syngas) issu du bois.

Le syngas de bois
On distingue deux grands types de ressources en bois énergie : la ressource sylvicole et la ressource industrielle. A noter que lorsque l'on parle de bois énergie, il s'agit exclusivement de bois "non traité".

Le gisement des déchets de bois est estimé à 14 millions de tonnes en France.
Selon l'ADEME, 90% de ces déchets sont valorisés et 49% font l'objet d'une valorisation matière.
On distingue traditionnellement trois sortes de bois:

    • Les bois de classe A (bois non traités), issus des sous-produits de la transformation du bois brut, bois secs non-traités et non peints, palettes...
    • Les bois de classe B (bois faiblement traités),qui rassemblent les panneaux, les bois d'ameublement, les bois de démolition exempts de gravats, les résidus d'exploitation forestière (souches, grumes etc.)
    • Les bois de classe C traités à la créosote (traverses de chemin de fer, poteaux téléphoniques...) ou autoclavés et imprégnés de sels métalliques (piquets de vigne et d'arboriculture, écrans acoustiques, glissières de sécurité...) nécessitent des équipements adaptés pour leur élimination en raison notamment des risques d'émission dans l'atmosphère de divers composés organiques volatils polluants (HAP...) et de métaux lourds : ils sont détruits en usine d'incinération de déchets spéciaux ou utilisés dans les fours de cimenteries.
  • La ressource industrielle
La ressource industrielle est la moins importante mais la plus sollicitée, elle peut se répartir en deux origines :
    • Le bois de rebut
      Le bois de rebut est constitué de produits en fin de vie (bois d'emballage, de déconstruction...)

      Le gisement est disponible mais sa valorisation est difficile car celui-ci est diffus ce qui rend la collecte difficile et aussi parce qu’il peut contenir des corps métalliques, plastiques ou des souillures.
    • Les sous-produits des industries du bois
      L’industrie de première transformation produit l’essentiel des sous-produits industriels sous forme d’écorces ou de sciures. Le rendement matière des industries de la seconde transformation du bois étant bien supérieur à celui des scieries, le gisement potentiel en chutes est bien plus faible, d’autant que l’association du bois à d’autres matériaux rend impossible leur valorisation en centrale thermique.
      Avec un taux d’humidité de 40 à 60 %, la principale valorisation des écorces est la combustion en chaudière de forte capacité (> 1 MW).
      Quant aux sciures de bois, elles ont une humidité équivalente à celle du bois scié (50 à 70 %).
  • La ressource sylvicole

Le bois étant une des ressources principale de la biomasse solide, il occupe une place importante dans la filière.

Les différents combustibles bois