UNIVERSITÉ DE DOUALAUnité de Formation Doctorale Physique et Sciences de l’Ingénieur

LABORATOIRE D’ENERGIE

MODELISATION ET SIMULATION DE LA COMBUSTION DES COQUES DE PALMISTE DANS UN FOUR DE FUSION DE LA FERRAILLE

(Rapport d’avancement des travaux de thèse P

Directeur : Pr AYINA OHANDJA (Maître de conférence, Université de Douala)

Encadreur :Dr OBOUNOU Marcel (Chargé de cours, Université de Yaoundé 1)

Co-encadreur : Dr CAILLAT Sébastien (Maître de conférence, Université de Lille 1)

EPESSE MISSE Samuel Eugène

Ngaoundéré, 09 Mars 2011

PLAN DE L’EXPOSE

• Introduction

• 1-PRESENTATION DES COQUES DE PALMISTES

• 2-PRESENTATION DU FOUR DE FUSION

• 3-MODELISATION MATHEMATIQUE

• 4-PROBLEMES DETECTES

• Conclusion

CONTEXTE

Disponibilité des noix de palme

Valorisation de déchets issus de la biomasse

Optimisation de l’exploitation du cubilot

Coques de palmiste : disponibilité

BREF APERCU BIBLIOGRAPHIQUE

• TZE CHEAN OOI et al. [2] montrent que la substitution de 10% de coke par des coques de graines de tournesol comme combustible dans un four de réduction du minerai de fer ne change pas de façon significative les caractéristiques de la combustion ou la qualité de la réduction.

• JENKINS et al. [8] relèvent les influences de la composition chimique de la biomasse sur les taux de combustion et d’émission des polluants.

• WERTHER et al. [11] s’intéressent à la combustion des coques de café et soulèvent des problèmes posés par les cendres issus de la combustion

• OSVADA [20] compare les cinétiques de pyrolyse, de combustion et de gazéification des graines de pin, des coques d’olive et des fragments de bois. Il compare ainsi leurs caractéristiques en terme de combustion suite aux différents rapports O/C ,H/C et leur taux de cendre.

1-PRESENTATION DES COQUES DE PALMISTES

Analyse chimique élémentaire (théorique)

• 51% C• 8% H• 32% O• O.1% N• 3.9% Eau• 5% Cendre

Analyse sur brut (s’inspirant du tableau présenté par WERTHER et al.[9])

• 65% Volatile• 20% Charbon• 10% Eau• 5% Cendre

D’où les fractions molaires suivantes:

• 0.19 C• 0.60 H• 0.16 O• 0.05 N

Tableau présenté par Werther et al.

2-PRESENTATION DU FOUR DE FUSION

Le four de fusion expérimental a les caractéristiques suivantes:

• Production horaire : P = 153,6 kg/h soit 0.1536t/h

• Volume de préchauffage: V = 38.25L soit 38.25x10 m

• Indice de capacité de préchauffage : ICP = 0.25 m /t

• Durée maxi de fonctionnement (journalier) : 3 heures

• Débit de vent : de 130m /h à 190 m /h• Pression de vent à la sortie des tuyères :

de 5000 Pa à 6800 Pa

Fonctionnement du four

• La ferraille à fondre, la chaux et le combustible sont enfournés en charges alternées au gueulard tandis que l’air froid est insufflé par les tuyères.

• Le gaz formé par la combustion aux tuyères monte au gueulard en traversant la charge

solide

Le cubilot : exemple de chargement

3 -MODELISATION MATHEMATIQUE

Etant complexe pour l’ensemble du four, on s’intéresse d’abord à la modélisation d’une tranche de combustible

Plusieurs simplifications ont été utilisées:• Régime permanent• Combustible- matière volatile uniquement• Débit d’air calculé• Débit de matières volatiles égal au débit des

morceaux de coques de palmiste enregistré• Morceaux de coques assimilés à des sphères de

rayon constant• Surface des obstacles intérieurs adiabatique

Modèles utilisés• Modèle de la fraction de mélange• Modèle de PDF• Turbulence k-ε standard• Milieu poreux

Combustion des coques de palmiste

On distingue cinq phases:

• Chauffage• Séchage• Dégagement des matières

volatiles• Combustion des matières

volatiles• Combustion du résidu

charbonneux

4-Problèmes détectés

Présentation du four de Krystina

6

VSB VSB –– TU dTU d´́Ostrava, Ostrava, RRéépubliquepublique TchTchèèqueque, Centre de , Centre de RechercheRecherche

CHARTREUSE 22Performances :

Pn = 18 kWTs,eau = 80 °CVeau = 40 lTfumées = 350 °C

Dimensions : 1165 x 785 x 682 mm

Principe de fonctionnement

9

VSB VSB –– TU dTU d´́Ostrava, Ostrava, RRéépubliquepublique TchTchèèqueque, Centre de , Centre de RechercheRecherche

PROBLÈMES DÉTECTÉS

Contour de vitesses et écoulement inversé

Contour de températures et zones froides

Contour de températures et stoechiométrie (PCI) PCI 16,5 MJ/kg PCI 32 MJ/kg

Limites de l’approche précédente

• La combustion est limitée au volume gazeux de la chambre de combustion

• La combustion du lit de combustible de même que la variation de son épaisseur ne sont pas pris en compte

Pour se rapprocher encore de la réalité, on s’est donc tourné vers les modèles globaux intégrants aussi bien la phase gazeuse que la phase solide

CONCLUSION

Au bout de cette étape, on peut relever que :• La compréhension de la combustion des coques de palmiste est

nécessaire pour sa modélisation• Les analyses élémentaire et globale pour les coques de palmiste doivent

être faites en vue d’introduire les valeurs réelles dans le code de calcul• L’étude expérimentale de la pyrolyse de petits échantillons de coques de

palmiste doit être menée afin de déterminer les cinétiques de dé volatilisation et la nature des gaz émis.

• L’étude expérimentale de la combustion d’un lit de coque de palmiste dans un four pilote devra être conduite afin d’analyser des phénomènes à l’échelle du lit et l’obtention de données pour la validation d’un modèle mathématique de combustion du lit de coques de palmiste. Ce modèle sera destiné à être couplé au calcul de l’écoulement et de la thermique de la chambre de combustion.

Bibliographie

[1] Y.WON ,C. SANGMIN, C. EUNG SOO, R. W.DEOG, K. SUNGMAN.2006 “Combustion characteristics in an iron ore sintering bed—evaluation of fuel substitution”. Comb and Flame, n° 145 pp 447-463

[2] O.TZE CHEAN, E.ARIES,B. EWAN, D. THOMPSON, D.R. ANDERSON, R.FISHER, T. FRAY, D.TOGNARELLI.2008 “The study of sunflower seed husks as a fuel in the iron ore sintering process” Minerals Engineering, n°21 pp 167-177

[3] G. TIHON. 2009 « Les combustibles de substitution pour le cubilot » 3 Conférence internationale sur le cubilot.[4]T.ABBAS, P.G. COSTEN, F.C. LOCKWOOD, 1996, “ Solid fuel utilisation: from coal to biomass” Symposium International on

Combustion, Vol 26, Issue 2, Pages 3041-3058

[5] Y.WON ,C. SANGMIN, C. EUNG SOO, R. W.DEOG, K. SUNGMAN.2004 “Modeling of Combustion and heat transfer in an iron

ore sintering bed with consideration of multiple solid phases”. Iron Steel Institute of Japan, Vol 44, n° 3 pp 492-499[6]C.MOKRANE,2009, “ Optimisation de la combustion au sein d’un incinérateur de déchets solides pour réduire les émissions nocives : cas des NO»,magistère en génie mécanique,option énergétique,Faculté des sciencesde l’ingénieur, Université de Batna

Algérie[7] N.SAMIRA, 2006, « Etude numérique de la combustion des gaz dans un four de cimenterie », mémoire de magistère.

[8] B.M. JENKINS, L.L.BAXTER, T.R. MIES Jr, T.R.MILES,1998, “Combustion properties of biomass”, Fuel Processing Technology, Vol 54, pages 17-46

[9]J.WERTHER, M.SAENGER, E.U.HARTGE, T.OGADA, Z.SIAGI, 2000, “ Combustion of agricultural residues”, Progress in Energy and Combustion Sciences, Vol 26, Pages 1-27

• [10] A. DEMIRBAS, 2004, “ Combustion characteristics of different biomass fuel”, Progress in Energy and Combustion Sciences Vol 30, Pages 219-230

• [11] J. WERTHER, M.SAENGER, E.U.HARTGE, T.OGADA, Z.SIAGI, 2001, “ Combustion of coffee husks”, Renewable Energy , Vol 23, Pages 103-121

• [12] O. SENNECA, 2007, “Kinetics of pyrolysis, combustion and gasification of three biomass fuels”, Fuel Processing Technology, Vol 88, Pages 87-97

• [13] P. JANASEK, 2009, “ Aspects of biomass combustion”, Renewable Energy• [14] G.SIMARD , 1992, « La modélisation de la combustion dans un four de calcination de coke de

pétrole » mémoire présenté à l’Université du Québec à Chicoutimi comme exigence partielle de la maîtrise en ingénierie.

• [15] J.B.GUILLOT, « Application de la mécanique des sols aux réacteurs métallurgiques »• [16] C.BRUCH, B.PETERS, T.NUSSBAUMER, (2003), “Modelling wood combustion under fixed bed

conditions”, Fuel, Vol 82, Pages 729-738• [17] S.V.KOMAROV, E.KASAI. 2004 “Simulation of sintering of iron ore bed with variable porosity”• [18] H.THUNMAN, B.O. LECKNER, 1996, “Influence of size and density of fuel on combustion in a packed

bed”, Departement of Energy conversion, Cholmers University of Technology, SE-412 , Göteborg, Sweden• [19] Y. MENARD ;2003 ; « Modélisation de l’incinération sur grille d’ordures ménagères et approche

thermodynamique du comportement des métaux lourds » Thèse de Doctorat, Institut polytechnique de Lorraine

• [20] T. FLOREA « Modélisation de la combustion du bois dans un foyer bois à bûches » , Journée des Doctorants en Combustion et Assemblée Générale du Groupement Français de Combustion Jeudi 7 Décembre 2006

MERCI DE VOTRE AIMABLE ATTENTION