La gazéification de la biomasse doit être considérée comme un processus de raffinage qui prend une matière première brute (dans notre cas, la biomasse ligneuse telle que les copeaux de bois et les coquilles de noix) et la transforme en un gaz à combustion propre compatible avec les moteurs à combustion interne. Ce processus consomme une partie du contenu énergétique de la matière première afin de réaliser cette transformation.
La gazéification de la biomasse consiste à faire passer la matière première de la biomasse ligneuse par les cinq processus suivants :
Le gaz qui en résulte, appelé gaz de synthèse ou gaz de productionLe charbon de bois est un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène, ainsi que d’azote provenant de l’air atmosphérique utilisé dans la réaction. L’autre produit de ce processus est le charbon de bois, qui contient également les cendres de la biomasse. Ce sous-produit du charbon de bois est également connu sous le nom de char-ash. This char-ash is referred to as biochar lorsqu’il est utilisé comme amendement du sol, et connu sous le nom de biocarbone lorsqu’il est utilisé à des fins industrielles.
Le diagramme suivant montre le flux de matériaux, commençant par la biomasse et se terminant par le gaz et le charbon de bois, disposés le long de la colonne centrale du diagramme, tandis que les barres horizontales indiquent le processus qui transforme les matériaux à chaque étape. Les barres horizontales indiquent le processus qui transforme les matériaux à chaque étape. Chacune des descriptions ci-dessous se réfère à ce diagramme.
Le processus de séchage consiste à appliquer suffisamment de chaleur à la biomasse pour en chasser toute l’eau. Il s’agit d’un processus endothermique qui se produit à une température comprise entre 100 et 150˚C. Les matériaux résultant de ce processus sont la vapeur d’eau et la biomasse sèche.
La pyrolyse consiste à appliquer de la chaleur à la biomasse sèche pour la faire fumer et la transformer en charbon. Il s’agit également d’un processus endothermique. Le processus de carbonisation consiste simplement à séparer les composés volatils (la fumée) du carbone fixe (le charbon de bois) contenu dans la biomasse par l’application de la chaleur.
Le séchage et la pyrolyse étant des processus endothermiques, une source de chaleur est nécessaire pour alimenter ces deux processus. La combustion de la fumée dégagée lors de la pyrolyse fournit la chaleur nécessaire. Au cours de la phase de combustion, l’air est introduit dans le gazéificateur et mélangé à la fumée afin qu’elle brûle à une température extrêmement élevée, supérieure à 800˚C. La combustion produit de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone. Les températures élevées provoquent également le craquage des goudrons.
La biomasse ligneuse se compose d’environ 80 % de composés volatils (en masse) qui se dégagent de la biomasse sous forme de fumée, et de 20 % de carbone fixe qui reste sous forme de charbon de bois, avec environ 1 % de cendres à mi-chemin entre les deux. Ces gaz volatils de pyrolyse sont connus sous le nom de gaz de goudron parce qu’ils se condensent en goudron. Ces gaz sont indésirables car ils sont acides et leurs condensats sont nocifs pour les pièces mobiles des moteurs à combustion interne. Le processus de craquage du goudron, qui a lieu en même temps que la combustion, se produit lorsque les molécules organiques lourdes de ces gaz de goudron se décomposent en gaz combustibles plus légers et non condensables en raison de l’exposition à des températures extrêmement élevées. Environ la moitié des molécules combustibles du gaz de synthèse proviennent du craquage du goudron.
La vapeur d’eau et le dioxyde de carbone résultant de la combustion des gaz volatils de la pyrolyse sont des déchets de combustion, mais ils peuvent être convertis en gaz combustibles en les exposant à des réactions de réduction. Les réactions de réduction sont illustrées dans le graphique ci-dessous :
Lorsque le charbon de bois est chauffé à des températures très élevées, le carbone qu’il contient devient très réactif et présente une très forte affinité pour l’oxygène, ce qui lui permet de réduire (le contraire d’oxyder ; dans ce contexte, « réduire » signifie inverser l’oxydation) les substances oxydées telles que le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau. Au fur et à mesure que les produits de la combustion traversent le charbon de bois chaud, ces réactions de réduction transforment le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau en monoxyde de carbone et en hydrogène, tout en consommant le carbone du charbon de bois pour ce faire. Ce processus produit environ la moitié des molécules combustibles du gaz de synthèse.
Au cours du processus de réduction, les copeaux de charbon de bois sont perforés à l’échelle moléculaire, les atomes de carbone étant retirés individuellement de la surface du charbon de bois. Cela rend le charbon de bois obtenu quasi activé, ce qui est une qualité souhaitable pour la filtration, et peut potentiellement avoir des avantages pour le charbon de bois lorsqu’il est utilisé comme biochar, en raison de l’influence bénéfique apparente d’une porosité accrue sur l’ammoniac, le méthane et l’azote. 2O.
Au cours de la gazéification, les copeaux de bois se transforment en copeaux de charbon de bois, et ces copeaux de charbon de bois cèdent leur teneur en carbone au cours du processus de réduction pour produire du monoxyde de carbone. Cette perte de carbone entraîne le rétrécissement des copeaux de charbon de bois. Finalement, les copeaux de charbon de bois rétrécis sont trop denses pour permettre le taux de percolation du gaz nécessaire pour alimenter le moteur qui tire le gaz du gazogène. Afin de rétablir le taux de production de gaz, le réacteur purge les copeaux de charbon de bois rétrécis, qui sont ensuite expulsés du réacteur sous forme de cendres de charbon. Ce sous-produit de la gazéification est l’un des deux produits matériels de la gazéification, l’autre étant le gaz de synthèse.
Au cours du processus de réduction, les copeaux de charbon de bois sont perforés à l’échelle moléculaire, les atomes de carbone étant retirés individuellement de la surface du charbon de bois. Le charbon de bois ainsi obtenu est quasi activé, ce qui est une qualité souhaitable pour la filtration et peut présenter des avantages pour le charbon de bois lorsqu’il est utilisé comme biochar.
En fonction du produit souhaité (gaz ou charbon de bois), le gazéificateur peut être utilisé pour produire une plus grande quantité du produit souhaité en régulant la durée pendant laquelle le charbon de bois est exposé aux réactions de réduction avant d’être purgé.
