CHAPITRE 2 ETUDE EXPERIMENTALE DE LA PYROLYSE ET DE LA
2.3.6. e) Effet de l’étagement du débit d’air primaire
La figure Fig. 2-20 présente les résultats de quatre expériences de combustion sous la forme de perte de masse de la charge en fonction du temps avec ou sans étagement du débit d’air primaire.
Fig. 2-20 : Effet d’un étagement de l’air primaire de combustion sur la vitesse de combustion (conditions des expériences voir tableau Tab. 2-8)
Il est possible de comparer d’une part les expériences W8 et W3 et d’autre part les expériences W10 et W7. Les deux premières sont réalisées avec un débit d’air primaire soit constant et égal à 15 Nm3 h-1 pour l’expérience W3 soit réparti pour l’expérience W8 (cf. Tab. 2-8) afin de fournir à la charge un volume d’air de combustion équivalent à un débit de 15 Nm3 h-1, soufflé pendant 1760 s (durée qui correspond au temps de combustion relatif à l’expérience W3). Les mêmes remarques peuvent être formulées pour les expériences W10 et W7 avec cette fois, un débit d’air primaire égal à 10 Nm3 h-1 et un temps de combustion égale à environ 2400 s (durée qui correspond au temps de combustion relatif à l’expérience W7). Les expériences, pour lesquelles le débit d’air primaire est réparti au cours du temps afin de
600 s 440 s
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suivre un schéma de répartition industrielle, sont facilement identifiables par les ruptures de pentes visibles, pour l’expérience W8, à t = 440 s (instant à partir duquel le débit d’air primaire passe de 10 Nm3 h-1 à 20 Nm3 h-1) et pour l’expérience W10, à t = 600 s (instant à partir duquel le débit d’air primaire passe de 6,6 Nm3 h-1 à 13,3 Nm3 h-1). On note l’efficacité d’une répartition du volume total d’air injecté. En effet, dans les deux cas (volume total équivalent à un débit de 10 Nm3 h-1 et 15 Nm3 h-1) les temps totaux de combustion sont plus faibles lorsque le débit d’air primaire suit un schéma de répartition visant à optimiser l’apport d’oxygène au cours de la combustion. On remarque à nouveau l’influence du débit d’air primaire (réparti ou non) sur la vitesse de la combustion. Les temps de combustion relatifs aux expériences W8 et W3 (DAP = 15 Nm3 h-1) sont bien inférieurs à ceux des expériences W10 et W7 (DAP = 10 Nm3 h-1).
La figure Fig. 2-21 met en évidence l’effet d’une modification de la répartition du débit d’air primaire. Jusqu’à l’instant t = 600 s, les courbes relatives aux expériences W10 et W11 sont logiquement confondues puisque les conditions sont strictement les mêmes. A t = 600 s, on modifie le débit d’air primaire pour W10, celui-ci passant de 6,6 Nm3 h-1 à 13,3 Nm3 h-1. On observe alors un premier changement de pente. A t = 1200 s, le débit d’air primaire passe de 6,6 Nm3 h-1 à 20 Nm3 h-1 pour W11.
Fig. 2-21 : Effet d’une modification de l’étagement de l’air primaire sur la vitesse de combustion (conditions des expériences voir tableau Tab. 2-8)
Un deuxième changement de pente, plus marqué que le premier, est ainsi visible à cet instant. La comparaison des courbes de pertes de masse permet d’affirmer que la répartition
600 s 1200 s DAP = 6,6 Nm3 h-1 DAP = 13,3 Nm3 h-1 DAP = 6,6 Nm3 h-1 DAP = 20 Nm3 h-1
Etude expérimentale de la pyrolyse et de la combustion d’ordures ménagères 69 utilisée pour l’expérience W11 est moins “efficace”, en termes de temps de combustion, que celle utilisée pour l’expérience W10. Le processus de combustion est globalement accéléré par un étagement de l’air primaire (par comparaison à la courbe de perte de masse relative à l’expérience W7, cf. Fig. 2-21).
Le tableau Tab. 2-13 rapporte les résultats de quatre expériences réalisées avec des charges similaires (cf. Tab. 2-8) mais pour des volumes d’air soufflé différents mais équivalents à un débit moyen de 15 Nm3 h-1 pour les expériences W8 et W9 et de 10 Nm3 h-1 pour les expériences W10 et W11.
Expérience DAP, Nm3 h-1 entre
(t1-t2), min Temps de combustion (s) Répartition équivalente à un débit de 15 Nm3 h-1
W8 20(14,7-22,05), 10(22,05-t10(0-7,35), 20(7,35-14,7),
fin) 1675 W9 10(0-7,35), 10(7,35-14,7),
30(14,7-22,05), 10(22,05-tfin) 1900 Répartition équivalente à un débit de 10 Nm3 h-1
W10 6,6(0-10,1), 13,3(10,1-20,2),
13,3(20,2-30,3), 6,6(30,3-tfin) 2290 W11 6,6(0-10,1), 6,6(10,1-20,2), 20(20,2-30,3), 6,6(30,3-t
fin) 2200
Tab. 2-13 : Effet de l’étagement de l’air primaire sur le temps de combustion
La comparaison de ces deux groupes d’expériences montre de nouveau l’effet d’une augmentation du débit d’air primaire. Les temps de combustion correspondant aux expériences W8 et W9 sont en effet inférieurs aux temps de combustion des expériences W10 et W11. L’interprétation des différences au sein de chacun des groupes est plus délicate. Les expériences W8 et W9 montrent qu’une répartition “symétrique” du débit d’air primaire (10/20/20/10 sur des intervalles de temps égaux à 7,35 minutes) semble minimiser le temps de combustion. Lorsque l’étagement du débit est réalisé de façon “asymétrique” (10/10/30/10 sur des intervalles de temps égaux à 7,35 minutes), le temps de combustion s’en trouve augmenté. Ceci peut s’expliquer par le fait que le régime quasi-permanent atteint par l’ensemble des processus physico-chimiques qui constituent la combustion, est perturbé par le caractère fortement transitoire d’une violente augmentation du débit d’air primaire. De plus, l’apport plus important de comburant au niveau du front de combustion entraîne localement une augmentation des températures par rapport à celles atteintes à un débit d’air primaire plus faible. Ceci a pour effet d’accélérer globalement la progression du front de combustion, les puissances dégagées par les réactions exothermiques étant plus importantes. La zone de la charge située immédiatement sous le front de combustion est donc plus rapidement pyrolysée
Chapitre 2
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et l’oxygène apporté par l’air primaire participe essentiellement à la combustion des gaz de pyrolyse. Les concentrations en composés organiques sont donc plus faibles mais en contre partie, cette combustion violente produit du CO et laisse une quantité importante de carbone résiduel. Le temps de combustion se trouve alors augmenté de la durée nécessaire à la combustion de ce résidu carboné. Cette étape est d’autant plus longue qu’elle se déroule en fin d’expérience avec un débit d’air primaire plus faible (10 Nm3 h-1).
L’écart existant entre les temps de combustion des expériences W10 et W11 est trop faible pour juger de l’efficacité d’une répartition par rapport à l’autre. On peut cependant noter que l’expérience W11 suit le même schéma de répartition du débit d’air primaire que l’expérience W9 mais avec un débit au plus égal à 20 Nm3 h-1. Ce débit est bien plus faible que le débit maximum employé dans l’expérience W9 (30 Nm3 h-1) et semble moins perturber la combustion.
2.4 - Conclusion
Ce travail expérimental a permis d’approfondir nos connaissances sur la combustion d’une charge en réacteur batch. Les résultats présentés sont issus d’expériences réalisées au laboratoire ITC-TAB dirigé par le professeur H. SEIFERT et situé au centre de recherche de Karlsruhe.
Pour ces expériences, deux types de combustibles ont été mis en oeuvre : des copeaux de bois, d’une part, et des OM reconstituées d’autre part. Nous avons mis en évidence l’influence sur la combustion des caractéristiques de la charge à savoir son humidité, sa teneur en matériaux inertes, son PCI, mais aussi l’influence des conditions opératoires (débit d’air primaire de combustion, étagement du débit d’air primaire, réchauffage de l’air primaire).
Cette étude nous renseigne non seulement sur les températures atteintes pendant la combustion dont nous avons vu qu’elles pouvaient dépasser 1200°C, mais aussi sur les réactions qui ont effectivement lieu au sein de la charge. En particulier, nous avons mis en évidence que les réactions d’oxydation pouvaient consommer la totalité de l’oxygène apporté par l’air primaire de combustion au sein même de la charge. Enfin, ces expériences nous ont donné accès aux évolutions des pertes de masse de combustible en fonction des conditions opératoires et, par leur intermédiaire, aux temps totaux de combustion.
Forts de ces informations, nous avons développé un modèle mathématique visant à simuler le fonctionnement en régime transitoire d’un tel réacteur et dont la validation s’appuie sur les résultats de ces expériences. Ce modèle fait l’objet du chapitre 3 que nous abordons à présent.
Modélisation de la combustion d’une charge d’OM en régime transitoire 71
Chapitre 3
Modélisation de la combustion d’une charge
d’OM en régime transitoire
Comme il a été expliqué au chapitre 1, la démarche pour laquelle nous avons opté pour connaître l’environnement physico-chimique et thermique gouvernant l’évolution des ML au cours de l’incinération, fait appel au développement d’un modèle spécifique de la combustion d’une charge d’OM.
Le but de ce modèle est de rendre compte des principaux phénomènes de transformation de la charge pour accéder aux conditions locales précédemment citées. La description des phénomènes et les hypothèses retenues pour la modélisation sont pour partie issues d’une analyse bibliographique présentée au paragraphe 3.1. Dans sa version en régime transitoire, objet du présent chapitre, le modèle est destiné à représenter la combustion d’une charge d’OM telle que celle observée sur le pilote batch KLEAA et décrite au chapitre 2. La validation de ce modèle repose ainsi sur les expériences menées sur ce pilote. Les équations du modèle et les résultats obtenus sont exposés au paragraphe 3.2. La même modélisation a ensuite été reprise pour développer une deuxième version du programme informatique, destinée à représenter la combustion en régime permanent d’un lit d’OM circulant sur la grille d’une UIOM. Ce dernier point fera l’objet d’une partie du chapitre 4.