c) Evolution des concentrations gazeuses en aval de la chambre de combustion . 116

La comparaison des résultats des calculs et des expériences porte ici sur l’évolution des titres molaires et de la concentration en imbrûlés C_xH_y en aval du réacteur de combustion. Ces résultats complètent les relevés de températures présentés précédemment. Il est nécessaire de

(a) (b) T₁ T₁ T₁₃ T₁₃ Progression du front de combustion

Modélisation de la combustion d’une charge d’OM en régime transitoire 117 souligner avant toute chose que cette comparaison s’appuie sur des enregistrements effectués en amont de la chambre de post-combustion (cf. schéma du pilote KLEAA au chapitre 2), juste avant la buse d’injection d’air secondaire, alors que nos calculs fournissent ces grandeurs en surface de la charge. L’évolution éventuelle de la composition des fumées dans le conduit des fumées séparant le réacteur de combustion et la chambre de post-combustion n’a pas été modélisée dans le cadre de ce travail. En première approximation, nous supposerons que cette composition évolue peu.

La figure Fig. 3-13 reprend les résultats expérimentaux relatifs à l’évolution des titres molaires et de la concentration en imbrûlés gazeux déjà analysés au chapitre 2 et présente les résultats de la simulation numérique qui leur correspond. L’analyse du titre molaire d’H₂O fait apparaître une brusque augmentation prévue par les calculs en début de combustion non enregistrée par les analyseurs. Cet enrichissement des fumées en vapeur d’eau résulte à la fois du séchage intensif de la charge du fait du rayonnement incident et de la combustion des espèces gazeuses (CH₄ et H₂). Après discussion avec nos collègues du centre de recherche de Karlsruhe, il est apparu que des phénomènes de condensation pouvaient perturber l’analyseur en ligne de vapeur d’eau et fausser cette mesure. Ceci pourrait expliquer la différence observée. L’ignition de la charge est repérée par la diminution du titre molaire en O₂ et l’augmentation consécutive du titre molaire en CO₂. Le titre en O₂ calculé reste nul pendant toute la durée de la combustion comme l’est le titre mesuré après 600 s et celui de CO₂ se stabilise autour d’une valeur de 15 % (contre 15 à 18 % pour la mesure). On observe une augmentation constante des titres molaires calculés en CO et H₂ au cours de l’expérience, également enregistrée par les analyseurs en ce qui concerne le CO. Le modèle numérique permet d’attribuer cette augmentation aux réactions de gazéification du carbone résiduel par CO₂ et H₂O qui produisent H₂ et CO. Ces réactions de gazéification ont lieu au-dessus des fronts de séchage et de pyrolyse, région où la concentration en O₂ est nulle. Ainsi, ces espèces gazeuses combustibles ne peuvent être oxydées et sont émises à la surface du lit. Les profils de concentrations en imbrûlés gazeux, d’une part, et CH₄, d’autre part, sont qualitativement semblables et montrent que le modèle est capable de traduire l’émission d’imbrûlés gazeux en fin d’expérience (t ≈ 1800 s). La diminution du titre molaire en H₂O précède l’étape finale de la combustion (oxydation du carbone résiduel) et l’augmentation des températures observée précédemment. Cette étape finale s’accompagne d’une production importante de CO (la formation de CO par oxydation du carbone est privilégiée à haute température). La fin de la combustion est repérée par la diminution des titres molaires en CO, CO₂ et le retour de la concentration en O₂ à sa valeur initiale.

Chapitre 3

118

Fig. 3-13 : Evolution de la composition de la phase gazeuse, (a) mesurée expérimentalement en amont de l’étage de post-combustion, (b) calculée en surface du lit

La comparaison de ces variations de composition gazeuse ajoutée à celle de l’évolution des températures au sein de la charge montre que le modèle permet de reproduire fidèlement les différents processus qui conduisent à la combustion d’une charge solide dans des conditions similaires à celles de l’incinération d’une charge d’OM (combustion où le front de combustion progresse à contre courant de l’écoulement gazeux).

(a)

Modélisation de la combustion d’une charge d’OM en régime transitoire 119 D’autres résultats de simulations numériques sont à présent analysés. Ils concernent l’évolution de la perte de masse du combustible, pour différents débits d’air primaire, constants ou non au cours d’une expérience.

3.2.3.d) Comparaison des courbes de pertes de masse

La validation du modèle porte à présent sur l’évolution de la masse de la charge pendant la combustion. Elle s’appuie sur quatre expériences réalisées avec des copeaux de bois. La charge est constituée de 2,7 kg de copeaux de bois (dont l’humidité est égale à 30 % en masse) et de 0,21 kg de matériaux inertes. Son PCI s’élève à 11000 kJ kg-1.

La figure Fig. 3-14 présente les pertes de masse expérimentales et celles calculées pour différents débits d’air primaire, étagés ou non. Sur chaque graphique est précisé le nom de l’expérience à laquelle correspond cette évolution. On observe sur les figures relatives aux expériences W7 et W8 réalisées avec des débits d’air primaire respectivement égaux à 10 et 15 Nm3 h-1 que les pertes de masse calculées sont très proches des valeurs expérimentales. En particulier, le modèle permet de prédire correctement les temps totaux de combustion pour différents débits d’air primaire.

Fig. 3-14 : Courbes de pertes de masse de la charge en fonction du temps pour différents débits d’air primaire

Chapitre 3

120

Lorsque le débit d’air primaire est constant, la linéarité de la perte de masse totale traduit la progression du front de combustion à vitesse constante, limitée par l’apport de l’oxygène. Ce résultat pourrait servir de base à un modèle simplifié de combustion du lit d’OM qui prédirait uniquement la vitesse globale de combustion en fonction du débit d’air primaire. Lorsque le débit d’air primaire est étagé (cf. expérience W10 et W8), on observe une modification de la pente de la courbe de perte de masse, correctement reproduite par les simulations numériques. Ainsi, le modèle mathématique permet de bien représenter les phénomènes transitoires liés à une modification d’une des conditions opératoires industrielles de première importance, à savoir le débit d’air primaire, et de prédire la réponse du système étudié avec précision.

3.2.3.e) Influence du débit d’air primaire sur la vitesse de propagation du