Incinération de déchets en lit fluidisé.
Cette activité a débuté dans le cadre de ma thèse de doctorat soutenue en 1999 (Incineration d'un dechet modele: de l'approche physique aux simulations en lit fluidise). Pour ce premier travail, les déchets avaient été assimilés à un mélange de bois, de carton et de PVC. L'aérodynamique particulière des lits fluidisés avait été prise en compte par le biais d'une modification du modèle de Werther (1980). Celui-ci envisageait la présence d'une interface entre les bulles traversant le lit (et contenant la majeure partie de l'air primaire de combustion) et la zone d'émulsion, siège des réactions de pyrolyse. La modification apportée portée sur la description de cette zone d'interface en une zone bidimensionnelle où les processus de combustion diffusionnelle prenaient place. Le lit dense était donc assimilé à une associtation de trois réacteurs: 1) une zone de bulle en écoulement piston, 2) une zone d'émulsion parfaitement agitée et 3)une zone d'interface bidimensionnelle. La surface libre du lit avait quant à elle était assimilée à deux réacteurs parfaitement agités une zone de désengagement, et une zone de post combustion.
Représentation du modele hydrodynamique retenu.
Dans le cadre de ce travail, le déchet modèle (composé de bois, carton et PVC)
était supposé subir une pyrolyse instantanée où il se décomposait en quatres
fractions distinctes:
- un gaz à fort pouvoir calorifique
- des particules de carbone pur
- de l'azote et du soufre à l'état élémentaire
- des cendres.
Dans cette étape de pyrolyse instantanée, la répartition granulométrique des
particules de carbone pur était supposée identique à celle des particules
initiales, et cette étape de pyrolyse instantanée assurait la conservation des
élements chimiques entre le déchet modèle initial et les produits de la réaction.
L'algorithme général de résolution s'appuyait sur le principe de superposition des effets. Dans un premier temps, les champs d'espèces et de température inhérents à la combustion des volatils sont évalués en utilisant le concept de fraction de mélange, qui permet de réduire le nombre d'équations à résoudre (en utilisant l'hypothèse que la composition des gaz est celle correspondant à l'équilibre chimique) indépendamment du nombre d'espèces chimiques prises en compte. L'obtention de ces différents champs est assurée par la méthode des volumes de finis dans la zone bidimensionnelle conjointement à un algorithme itératif permettant de prendre en compte les couplages entre les différentes régions du modèle (transfert de chaleur hétérogène avec le sable, couplage par condition à la limite). De plus l'implémentation de réseaux de neurones au cœur de l'algorithme a permis de comprimer les temps de calcul impartis par la résolution du modèle. A ces différents champs, des variations représentatives de la combustion du résidu de pyrolyse, sont ensuite apportées. Ces variations prennent en compte la combustion hétérogène du résidu, réaction limitée par la diffusion externe de l'oxydant et par la cinétique, et un bilan de population de ces particules. Dans une dernière étape, réalisée en post traitement, l'estimation des productions polluantes en termes de HCl, SO2, SO3, NO et HCN, est effectuée.
Représentation des processus associés aux zones du modèle.
Les résultats du modèle ont été présentés en termes d'expériences numériques de variation des différentes conditions opératoires. Ainsi, on évalue l'impact de chacun des paramètres de fonctionnement du four sur la qualité de l'incinération (en termes de température, de charge en particules réactives, et de composition des gaz émis à l'atmosphère). Enfin, une approche systémique sous forme de scénario de conduite a été proposée. Cette analyse constituait l'objectif de simulation recherché à l'origine des travaux.
Résultats du premier modèle.
Profils de fraction molaire en O2 (gauche) et CO (milieu) et température
(droite) dans le réacteur.
Résultats du premier modèle (suite).
Distribution de tailles et température des particules
Les améliorations ont ensuite été apportées à ce modèle dans le cadre du projet SIMAPI visant à développer une maquette de simulateur temps réel d'incinération de déchets en lit fluidisé. Ces améliroations ont principalement constitué en la prise en compte de la cinétique associé à la combustion homogènes des produits de la pyrolyse et en la prise en compte de la dynamique du système. C'est dans ce contexte que s'est effefctué le stage Post Docotral d'Iliya Brainov (PD1 ).
Interfaces de la maquette de simulateur SIMAPI.
Poste Four (gauche), Poste Chaudière (centre) et poste valorisation (droite).
Dans le cadre des travaux de Besma Khiairi, (T3 Modélisation et simulation de l'incinération de boues en lit fluidisé) l'attention s'est plus particulièrement portée sur les boues de station, et la cinétique des processus de séchage et de pyrolyse a été intégrée au modèle. Ainsi, une résolution globale permet d'obtenir en chaque point des différentes zones du réacteur et à chaque instant la composition de la phase gazeuse, mais aussi la composition et la taille des particules de boues en transformation thermique.
Représentation des processus associés aux zones du modèle.
Evaluation spatio-temporelle de la température des
particules de boues suite à leur admission
dans le réacteur à t=550s
Les derniers travaux effectués sur cette thématique ont été réalisés dans le cadre d'une collaboration avec le centre de recherche du groupe Véolia Environnement (VERI). Les travaux qui ont été principalement effectués par Abderrahmane Benzaoui (PD 5 ) ont principalement portés sur l'insertion d'un modèle réactionnel détaillé permettant d'estimer la formation de protoxyde d'azote (N2O) dans le modèle développé dans le cadre de Besma Khiari. Ces travaux ont notamment permis de confronter les résultats prédits par le modèle à des résultats industriels obtenus sur un des sites du groupe Véolia. Ces comparaisons ont montré un très bon accord.
Comparaison des prédictions du modèle et de résultats industriels.
CO2 (gauche), NO (centre) N2O (droite).
