Inorganic Species Behaviour in Thermochemical Processes for Energy Biomass Valorisation Comportement des espèces inorganiques dans les procédés thermochimiques de valorisation énergétique de la biomasse

Abstract

Inorganic species from biomass (wood or agricultural waste) exhibit large variations in compositions and amounts, depending on the origin of the biomass (nature, growing conditions and location). Different thermal conversion processes (combustion, pyrolysis, gasification or other) and various technologies (grate furnace, fixed or fluidized bed, entrained flow reactor) using biomass, provide a wide variety of operating conditions with differences in atmosphere, pressure and temperature. During any thermal process and mainly depending on initial composition of the biomass, process temperature and atmosphere, some of the inorganic species react and may form liquid or gas compounds, alone or combined with other species: they may either be trapped at different locations during the process or released in the gas. The potential interactions of inorganic species with reactor walls, bed materials (in fluidized bed reactors), transfer lines and downstream process units are not well understood for most species. Both technical and economic issues about inorganic species behaviour are probably growing to become important in a near future: pressure on timber markets is growing and prices have already been rising : one solution is to replace this noble and "clean" resource (wood) by ash richer feedstock, like straw, dedicated energetic cultures, agricultural or even municipal solid waste. Biogas production from waste deposits is a good example to show how waste can be valorised. Going further (thermochemical conversion) with such ash rich feedstock will increase the potential of their re-use but also the technical difficulties in a dramatic extent; soil enrichment for the agriculture currently largely depends on the re-use of biomass, completed with artificial fertilisers. The question how to re-use the inorganic material in biomass after thermo-chemical conversion is an important subject. The objective of this paper is to present a global review of the technological difficulties (corrosion, fouling, etc.): a detailed summary of the specific behaviour of the inorganic compounds in biomass thermal conversion facilities will be given, going from the description of inorganic species included in biomass up to the prevention and the solution, as far as possible. The following topics will therefore be developed: inventory of inorganic species in different biomasses; general review of the inorganic speciation during thermal conversion processes; technological barriers to overcome for economic and technological process improvements; specific aspects related to inorganic species behaviour investigated at CEA: inorganic species release and condensation; aerosol behaviour and deposits; hot particles filtration; slag formation and interactions with reactor wall. Les espèces inorganiques de la biomasse (bois, déchets agricoles, déchets ménagers voire boues d’épuration) présentent un large spectre en compositions et quantités, dépendant de l’origine de la biomasse (nature, lieux et conditions de sa croissance, etc.). Les différents procédés de conversion (combustion, pyrolyse, gazéification, etc.) et les différentes technologies associées (fours à grille, lits fixes ou fluidisés, réacteurs à flux entraînés, etc.) utilisant l’énergie de la biomasse, fournissent des conditions opératoires très variées en atmosphère, température, pression, etc. Au cours de chacun de ces procédés thermiques de conversion, en fonction de la composition initiale de la biomasse, de l’atmosphère et la température du procédé (la pression est un paramètre de second ordre par rapport aux précédents), certaines espèces inorganiques réagissent pour former des composés liquides ou gazeux, seuls ou combinés à d’autres espèces : celles-ci peuvent être soit piégées à différents endroits dans le procédé, soit relâchées avec le gaz. Les interactions potentielles de ces espèces inorganiques avec les parois des réacteurs, les matériaux de lits (en réacteurs à lits fluidisés), les canalisations et l’aval du procédé ne sont pas toujours bien connues. Ces sujets concernant le comportement des espèces inorganiques et les conséquences technologiques et économiques vont probablement prendre de l’importance dans un futur proche en raison de : la tension sur le marché du bois qui augmente ainsi que les prix : une solution est de remplacer cette ressource « noble et propre » qu’est le bois par une ressource plus riche en cendres, comme la paille, les cultures énergétiques dédiées, ou les déchets agricoles voire ménagers. La production de biogaz depuis des décharges de déchets est une bonne illustration de la valorisation de déchets. Aller plus loin dans l’utilisation de ces ressources (conversion thermochimique) riches en cendres augmentera leur potentielle réutilisation mais également les difficultés techniques de manière importante! l’enrichissement des sols pour l’agriculture dépend aujourd’hui de la possibilité de réemploi des cendres de biomasse, auxquelles il faut ajouter des fertilisants artificiels. La question de comment réutiliser la matière inorganique de la biomasse après conversion thermochimique devient un sujet important. L’objectif est de présenter une synthèse des difficultés technologiques liées à la présence de ces espèces inorganiques (corrosion, bouchages, etc.) : un résumé détaillé du comportement des espèces inorganiques de la biomasse dans les procédés thermiques sera donné, allant des espèces relâchées pendant le traitement de la biomasse jusqu’à la prévention et les solutions quand c’est possible. Les sujets suivants seront développés : inventaires des espèces inorganiques de différentes ressources ; synthèse de la spéciation des espèces inorganiques dans les divers procédés de conversion thermiques ; barrières technologiques à franchir pour des raisons économiques et améliorations technologiques des procédés à réaliser ; aspects particuliers liés au comportement des espèces inorganiques étudiés au CEA : volatilisation et condensation des espèces inorganiques ; comportement des aérosols et dépôts ; filtration à chaud des particules ; formation de laitier et interaction avec les parois des réacteurs.