e) Distribution des temps de séjour des fumées

La distribution des temps de séjour (DTS) du gaz au sein d’un réacteur dépend du champ de vitesses et de la géométrie. Elle constitue en ce sens la signature aérodynamique d’un réacteur donné et permet de juger de son bon fonctionnement ou de la présence d’anomalies (présence de zones stagnantes, de courts-circuits, etc.). Expérimentalement, on la détermine en utilisant des traceurs qui peuvent être des traceurs radioactifs, des colorants ou toute autre substance ayant les mêmes propriétés aérodynamiques que le fluide mais qui peut être décelable par une propriété physique caractéristique telle que la conductivité thermique ou électrique… Ainsi, cette technique consiste à “marquer” les molécules entrant dans le réacteur et à suivre leur histoire jusqu’à la sortie, en particulier en les détectant dans le courant de sortie en fonction du temps. La détermination expérimentale de la DTS d’un incinérateur constituerait un renseignement macroscopique précieux permettant de valider en partie le calcul de l’aérodynamique interne à ce type de réacteur. Bien que sa mise en œuvre expérimentale semble possible, elle aurait demandé que soient mis en place des systèmes d’injection de traceurs et d’analyses gazeuses au sein même d’un four d’incinération, et que des industriels soient par conséquent fortement impliqués dans ce travail de recherche. Une des possibilités serait d’injecter le traceur dans les caissons d’air primaire situés sous le four et de faire une hypothèse quant à la durée de son transport de cet endroit jusqu’à la surface

(a) (b)

Simulation numérique de la combustion dans un incinérateur industriel 161 du lit. Nous ne présentons ici que des résultats de DTS “numériques”. Celles-ci ont consisté à calculer l’évolution au cours du temps de la concentration moyenne d’un traceur en différents plans. Pour ce faire, nous avons fait le choix d’injecter uniformément le traceur (ici de l’argon) à partir de la surface de la couche d’OM et ce, pendant une durée très brève. On suit ensuite l’évolution de son débit à différents endroits dans la chambre de post-combustion et la chaudière de l’UIOM.

Ces calculs sont réalisés en régime transitoire, dans un champ établi de vitesses, résultat du calcul en régime permanent. Seule l’équation de transport du traceur est alors résolue.

La figure Fig. 4-25 présente les résultats de ces calculs. Y figurent trois DTS calculées en haut de la première passe, en bas de la deuxième et en sortie de chaudière.

Fig. 4-25 : Distribution des temps de séjour des fumées dans la chambre de post-combustion et la chaudière de l’UIOM de Strasbourg

La première DTS présente une forme proche de celle d’un écoulement piston avec cependant un caractère traînant trahissant la présence de zones stagnantes ou de recirculations liées au mélange dans la chambre de post-combustion. A mesure que l’on progresse dans la chaudière la dispersion augmente. Elle est également imputable à la diffusion et aux recirculations présentes dans les sections descendantes puis ascendantes de la chaudière. L’analyse de la DTS relative à la première passe montre qu’une quantité non négligeable de traceur quitte la zone chaude située au-dessus de l’étage de post-combustion dans des temps inférieurs à 8 s. En effet, le temps de séjour du traceur injecté dans les premiers mètres de la grille est inférieur à celui injecté dans la troisième section du fait, d’une part, du débit d’air primaire

8 s

14 s

Chapitre 4

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plus important dans la région de combustion vive et, d’autre part, du chemin effectif à parcourir pour rejoindre le haut de la première passe. On peut raisonnablement penser qu’un calcul de DTS réalisé pour une injection ponctuelle de traceur au-dessus de la première grille conduirait à des résultats où les temps de séjour moyens seraient inférieurs à ceux présentés sur la figure Fig. 4-25 et donc à un décalage de ces courbes vers les petites valeurs de t.

Les temps de séjour calculés le long de quatre lignes de courant issues de quatre positions régulièrement espacées en surface du lit (x=0,5 ; 4 ; 8 et 11 m où x=0 correspond à la position d’arrivée de la charge d’OM sur la grille) sont respectivement égaux à 1,8 ; 1,9 ; 2,5 et 2,8 s dans un environnement où le titre molaire en O₂ est supérieur à 0,06 et la température supérieure à 850°C. Sous réserve de validation des calculs d’aérodynamique, ce type de résultats permet de savoir dans le détail si une UIOM répond ou non aux normes relatives au temps de séjour des gaz à haute température.

4.4 - Conclusion

Cette partie était consacrée à la simulation numérique de l’écoulement réactif des gaz au sein de la chambre de post-combustion et de la chaudière de l’UIOM de Strasbourg. Ces simulations ont été réalisées sur une géométrie 3D en tentant de représenter au mieux, du point de vue du maillage, la réalité géométrique de la surface de la couche d’OM circulant sur la grille et de l’étage de post-combustion.

Nous avons considéré dans un premier temps, comme CHEN et coll., 1999c, une pyrolyse immédiate des OM donnant un gaz combustible (CH₄) s’oxydant suivant un mécanisme à deux étapes permettant de représenter la formation intermédiaire de CO. Ces calculs ont ensuite été affinés grâce aux données du modèle de grille en sortie de la couche d’OM. Les résultats obtenus dans ce cas sont sensiblement différents de ceux issus des simulations basées sur la première approche. Les concentrations en H₂O, CO₂ et O₂ calculées en sortie de chaudière dans le cas des simulations incluant le modèle de lit sont beaucoup plus proches des valeurs mesurées industriellement.

Les conditions opératoires ont été modifiées (appauvrissement en air secondaire, enrichissement en air primaire) afin d’évaluer les potentialités de tels calculs à des fins d’optimisation de fours d’incinération du même type. Enfin, nous nous sommes attachés à proposer une méthode de validation de l’hydrodynamique du four à partir de calculs de DTS “numériques”. Ces résultats n’ont pas été confrontés à l’expérience dans le cadre de ce travail par manque de données, mais pourraient l’être dans le cadre d’une action de recherche future. Enfin, ces simulations nous donnent accès aux conditions locales de température et de composition des fumées que nous utilisons dans le prochain chapitre afin d’effectuer des calculs thermodynamiques de la spéciation des ML dans la chambre de post-combustion et la chaudière de l’UIOM de Strasbourg.