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École des Mines de DOUAI

Combustion en four tournant : Modélisation de la combustion

dans un lit solide

Lat Grand NDIAYELat.Grand.Ndiaye@ensm-douai.fr

Journée des doctorants en combustion

07/12/2006

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Contexte de l’étudeL’incinération demeure malgré quelques contradictions le mode d’élimination des déchets le plus sollicité.

Efficacité énergétique

Réduction des émissions

Les outils de CFD demeurent la principale source de simulation donnent des réponses à de telles priorités. Bien élaborés, ils peuvent donc aider à une bonne compréhension des phénomènes et processus ayant lieu dans de telles applications.

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Installation d’incinération et types de déchets utilisés

Selon le type de déchet ; solide, liquide et gaz et

Selon le mode d’alimentation :

Les installations peuvent être des fours à grilles, à lit fluidisé, fours rotatifs et même de type co-incinération.

Généralités

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Propriétés physiques

Propriétés chimiques

Chaleur de combustion/PCI-

PCSTeneur en

humidité/volatiles

Caractérisation des déchets

De composition très complexe, les déchets doivent cependant être évalués afin d’en déterminer :

Opérations faites à partir :

Analyse spectroscopique ;

Expériences thermogravimétrique/bombe calorimétrique ;

Analyse élémentaire/immédiate.

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ModélisationTypes d’écoulement

Plusieurs modes d’écoulement tranverse existent et sont définits suivants :Le diamètre interne du tube ;La vitesse de rotation ;La profondeur locale du lit ou taux de remplissage local ;La géométrie des particules et leurs propriétés ;Le coefficient de frottement entre le lit solide et la paroi interne.En fonction du nombre de Froude on peut distinguer :

Glissement-Eboulement-Roulement-Cascade-Cataracte-Centrifugation

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ModélisationLa combustion d’un lit de particule solide en four rotatif s’effectue normalement à travers cinq zones :

Chauffage ;

Pyrolyse ;

Combustion des particules solides ;

Formation et dépôt de cendres et

Combustion des gaz.

Vu sous cet angle, nous nous proposons un modèle mathématique pouvant décrire ces cinq phénomènes.

Il est donc nécessaire de choisir un modèle pouvant à la fois décrire l’écoulement du solide, de la phase gaz et la combustion.

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ModélisationChoix d’un modèle mathématique !

Saeman (Descoins), décrit l’écoulement et

Yang et al., décrit les processus physico-

chimiques.

Lit homogène en écoulement piston ;

Mode d’écoulement en rolling, axial ;

Section tranversale constante ;

Porosité du lit constante…

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ModélisationModèle de Descoins :

Evolution du profil de charge sur lit.

Alimentation et forme du lit.

Accès à la vitesse axiale du lit solide :

La vitesse de la phase gazeuse est donnée par la loi de darcy :

sinαα2

α3sin

2

αsin

2

R

dz

dαcotβ

sinβ

tanθπnR

3

8

sS

vQ

sU

RTρP t);P(z,μ

kU gg

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ModélisationModèles de Yang et al. : Model 1D

Ce modèle permet d’accéder aux profils de températures des particules de gaz en surface et de ceux du lit solide à travers :

Equations des taux d’humidité, de dévolatilisation et de la combustion des volatiles,

Equation de conservation de la phase gaz :

Transfert : Continuité :

Energie :

Equation de conservation de la phase solide :

Transfert : Continuité :

Energie :

g

ggg Rz

Uερ

t

ερ

gg 21

hcsg

gg

ggggg QQz

Tk

zz

HUερ

t

Hερ

IIIg

IIgIg

)T(TShQ sga'scsg

p

spp R z

Uε)ρ(1

t

ε)ρ(1

ss 21

sh

rcsg

sef

sspsp Qz

qQ

z

Tk

zz

HUε)ρ(1

t

Hε)ρ(1

IIIsIIsIs

)T(TShQ gsa'scsg

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ModélisationCouplage des deux modèles ; Descoins et Yang et al.,

Description de l’écoulement et des transferts en mode axial de roulement du lit :

Développement du modèle 1D ; base de données par évaluation de la température axiale du lit de solides et des particules gaz au dessus du lit.

Accès au modèle 2D ; les transferts de matières et de chaleur sur le lit à travers les sections transversales du matériau refractaire du four seront évalués.

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Conclusion

Le modèle 1D perméttra donc :

D’accéder aux profils de températures sur le lit et de ceux des gaz au dessus du lit ;

D’aborder le modèle 2D plus aisément ;

Tout cela pour une meilleure connaissance voir aussi pour une bonne conception des fours rotatifs !

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Merci de voter attention !

Lat.Grand.Ndiaye@ensm-douai.fr