1 École des Mines de DOUAI Combustion en four tournant : Modélisation de la combustion dans un lit...
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École des Mines de DOUAI
Combustion en four tournant : Modélisation de la combustion
dans un lit solide
Lat Grand [email protected]
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
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sU
RTρP t);P(z,μ
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9
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 :
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IIIsIIsIs
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10
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 !