Fluidized bed biomass gasification

In this thesis, biomass gasification was studied in a bubbling fluidized bed reactor. Many chemical reactions are involved in gasification. Pyrolysis is the first step that takes place in gasification and combustion of solid fuels such as biomass and coal. In bubbling fluidized bed gasifiers (BFBG) of biomass materials, the products of pyrolysis are subject to further chemical reactions. This takes place in a bed that is at a high temperature of T≥800°C or in the freeboard area of the reactor. Two aspects of BFBGs, i.e. pyrolysis and hydrodynamics of a fluidized bed at high temperatures, are the main subjects of this study.

In the first step, pyrolysis of three biomass materials was studied. Thermogravimetry analysis (TGA) was employed alongside with gas chromatography (GC) technique. TGA provides the overall devolatilization of biomass and GC accounts for the individual gases released during pyrolysis. The ensemble use of these two techniques provides a complete picture of pyrolysis and the range of products in it. Different heating rates were used in the TGA experiments to investigate its effect on product distribution in pyrolysis. Experimental results show that yield of different gases depends on the heating rate that the biomass experiences during the pyrolysis in the thermobalance. Based on the obtained experimental results, kinetic models were developed for overall devolatilization and individual gas releases. The kinetic model for the individual gas release was then modified to account for the change in the yield of gases with heating rates.

In the second step, phase dynamics and solids mixing were studied in a fluidized bed at high temperatures (25--700°C). BFBGs are an example of reactors that operate at relatively high temperatures. For the first time, Radioactive Particle Tracking (RPT) was employed at high temperatures to study the hydrodynamics of a fluidized bed reactor. A single solid tracer was made of scandium oxide with density and size close to those of the bed particles. The tracer was placed in the fluidized bed at high temperature after being activated to 200--300 μCi in the SLOWPOKE nuclear reactor at the nuclear engineering department of the École Polytechnique de Montréal. The γ-rays emitted from the tracer were detected by eight NaI scintillation detectors located around the bed. The γ-rays counts received by the arrays of detectors were used to locate the tracer in the fluidized bed. Larachi et al. (1995) have described the details of tracer position reconstruction in RPT. (Abstract shortened by UMI.)

Alternate abstract:

La gazéification de la biomasse a été étudiée dans un lit fluidisé à bulles. De nombreuses réactions chimiques sont impliquées dans une réaction de gazéification. La pyrolyse constitue la première étape d’une réaction de gazéification ou de combustion de combustibles solides tels que le charbon et la biomasse. Dans les lits fluidisés à bulles de biomasse (LFBB), les produits des réactions de pyrolyse subissent d’autres réactions chimique. Tout ceci a lieu à l’intérieur même d’un lit fluidisé qui présente une température élevée (T>800°C) ou bien dans l’espace libre au dessus du lit. Deux aspects des LFBB, c’est à dire la pyrolyse et l’hydrodynamique des lits fluidisés à haute température sont les sujets principaux de cette étude. 

Dans une première étape, la réaction de pyrolyse de plusieurs types de biomasse a été étudiée. La TGA ou analyse thermogravimétrique a été utilisée en conjonction avec des techniques de chromatographie en phase gazeuse (GC). La TGA permet de générer la dévolatilisation de la biomasse alors que le GC permet l’analyse de la composition des gaz issus de la pyrolyse. L’utilisation simultanée des deux techniques permet d’obtenir une représentation complète de la pyrolyse et des produits générés lors de cette dernière. Faire varier les rampes de température a permis d’étudier leurs effets sur la composition des gaz émis. Les résultats expérimentaux montrent que le rendement des différents produits dépend des rampes de chauffage que la biomasse subit dans la thermobalance.

A partir de ces résultats, des modèles cinétiques ont été développés pour décrire la cinétique de dévolatilisation globale et les émissions individuelles de gaz. Le modèle cinétique a été subséquemment modifié pour prendre en compte le changement de rendement d’émissions selon la rampe de chauffage.

Dans une seconde étape, la dynamique de phases et le mélange de particules solides ont été étudiées dans un lit fluidisé à hautes températures (25-700°C). Les LFBB sont des bons exemples de réacteurs qui opèrent à des températures élevées. Pour la première fois la technique de Traçage d’une Particule Radioactif (TPR) a été employée à haute température pour étudier l’hydrodynamique d’un lit fluidisé. Un traceur particulaire constitué d’oxyde de scandium et d’une densité et taille proche de celles de la taille des particules du lit a été utilisé. Le traceur a été placé dans le lit fluidisé à haute température après avoir été activé à 200-300 μCi dans le réacteur nucléaire de l’École Polytechnique de Montréal. 

Les rayons gamma émis par le traceur ont été détectés par 8 détecteurs Nal à scintillation placés autour du lit. Les rayons gamma reçus par les détecteurs sont utilisés pour localiser le traceur dans le lit fluidisé. Larachi et al. (1995) ont décrit les détails de la reconstruction de la position du traceur par TPR. La distribution des vitesses du traceur indique la dynamique de phase dans le lit. A plus haute température, le traceur passe plus de temps dans les bulles et moins dans l’émulsion. Ce résultat est cohérent avec le travail précédemment effectué dans notre laboratoire sur la structure de l’écoulement dans un lit fluidisé de particules de FCC (Cui et Chaouki, 2004) des concentrations de particules plus faibles dans la phase dense ont été trouvées à haute température. Le changement de la dynamique de phase affecte le mélange des particules solides. Le mélange des particules a aussi été étudié en utilisant un modèle de mélange à contre-courant à haute température (CCBM) (May, 1950). L’unique paramètre ajustable du modèle (le coefficient de transfert entre la phase ascendante et descendante (K_w)) a été calculé en ajustant le modèle CCBM sur le réponse de concentration de particules lors de l’injection d’un traceur.

L’injection d’une grande quantité de traceurs a été rendue possible par l’application de la théorie d’ergodicité (Cassanello et al., 1996; Mostoufi et Chaouki, 2001; Larachi et al., 2003). Le coefficient de transfert de masse entre les deux phases à contre-courant (K_w) calculé dans ce travail à une température de 25-400°C était de l’ordre de 0.7-1.6 s^-1.

L’effet de la température sur certaines caractéristiques de la fluidisation a aussi été étudié. La méthode présentée par Mostoufï et Chaouki (2004) a été utilisée pour dériver la vitesse des bulles à partir de données de TPR. Il a été trouvé qu’à hautes températures (T>400°C) des déviations existent entre la vitesse des bulles calculées avec les corrélations et celles calculées à partir des données de TPR. Cela implique que la vitesse des bulles ne peut être estimée seulement en considérant les propriétés physiques du gaz interstitiel. Les temps caractéristiques montrent des changements significatifs avec la température pour des particules de sable. Le nombre de saut (déplacements rapides) (Stein et al., 1997, 2000) est plus important en augmentant la température ce qui montre une augmentation du nombre de bulles. 

La dernière étape de ce travail est une tentative de modéliser la gazéification de la biomasse dans un lit fluidisé à bulles. Deux modèles de cinétique de pyrolyse différents (Nunn et al., 1985; Radmanesh et al., 2005a) incluant celui développé lors de la première étape de ce travail, en conjonction avec le modèle de mélange (CCBM) pour des particules solides (charbon) ont été utilisés à cette étape. Certains des paramètres hydrodynamiques requis tels que le coefficient de transfert de masse (K_w) ont été obtenus par TPR (Radmanesh et al., 2005b). En plus de la pyrolyse, d’autres réactions homogènes et hétérogènes ont été prises en compte dans le modèle de LFBB. Les expériences ont été menées sur du bois de hêtre dans un lit fluidisé en utilisant de l’air comme agent gazéifiant. Le modèle permet de prédire la composition et le rendement de différents gaz pour des conditions d’opérations variées. Une analyse de sensibilité a été faite sur certains paramètres d’opération importants de la gazéification tels que la proportion air/biomasse, la température du lit et la localisation de l’alimentation du lit (alimentation par le haut ou le bas).