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

L’influence du débit d’air primaire sur la vitesse de propagation du front de combustion met en évidence des conditions opératoires susceptibles de conduire, par exemple, à une extinction de la combustion liée à une injection d’air primaire en quantité insuffisante (limitation par apport d’O₂) ou au contraire en quantité trop importante (extinction par convection). La figure Fig. 3-15 met en évidence les différents régimes de combustion en fonction de ce débit. Pour de faibles débits, l’apport d’O₂ est insuffisant pour que l’enthalpie des réactions exothermiques de combustion libérée au sein de la charge soit supérieure à la somme de l’enthalpie absorbée par les réactions endothermiques et de celle transférée par convection dans l’écoulement gazeux : il y a donc extinction. Pour des débits d’air primaire élevés, la charge est trempée par convection et là encore il y a extinction de la combustion. Entre ces deux extrêmes, la combustion, et donc la vitesse du front de combustion, est limitée par les réactions.

Fig. 3-15 : Effet du débit d’air primaire sur les régimes de combustion

Débit d’air primaire Extinction par convection Enthalpie libérée/transférée au sein de la charge _{Refroidissement} convectif

Enthalpie nette libérée par les réactions exothermiques et endothermiques Extinction : apport d’O₂ insuffisant Limitation réactionnelle

Modélisation de la combustion d’une charge d’OM en régime transitoire 121 Comme il a déjà été mentionné, la région de la charge où les températures sont les plus élevées et où le flux de chaleur est transféré par conduction et rayonnement aux couches plus froides est qualifiée de région de combustion vive. Nous parlons alors de front de combustion pour caractériser cette zone réactionnelle de faible épaisseur (quelque millimètres pour un lit de particules de diamètre initial moyen égal à 5 mm). Nous avons observé sur la figure Fig. 3-12 que l’élévation des températures au niveau de chacun des 13 thermocouples se faisait très régulièrement et nous pouvons en déduire, par conséquent, que le front de combustion se propage à vitesse pratiquement constante au sein de la charge (si l’on écarte le caractère transitoire de l’allumage et de la combustion finale du carbone résiduel). En effet, pendant la quasi-totalité de la combustion, la charge est en équilibre thermique du fait de la compensation exacte des apports (enthalpies dégagées par les réactions combustion + enthalpie apportée par le rayonnement incident) et des pertes énergétiques (enthalpies absorbées par le séchage, le chauffage du combustible et de l’air primaire + enthalpie dissipée par rayonnement). Cette vitesse peut être calculée en évaluant la durée qui sépare l’élévation de la température en deux endroits distincts de la charge (par exemple la position de deux thermocouples) et en divisant la distance parcourue par le front entre ces deux positions pendant cette durée.

Lorsque l’on cherche à corréler cette vitesse de propagation du front de combustion en régime quasi-stationnaire en fonction du débit d’air primaire, il faut toutefois prendre garde à bien partir d’un point de fonctionnement donné, par exemple un débit d’air fixé à 15 Nm3 h-1, puis diminuer ou augmenter ce débit et attendre que disparaissent les phénomènes transitoires relatifs à cette augmentation de débit. On imagine aisément qu’il ne suffit pas, pour de faibles débits d’air primaire, que le front de combustion progresse pendant les premiers instants de la combustion pour conclure à son existence pendant toute la combustion. En effet, les couches supérieures de la charge étant chauffées par rayonnement, il est possible qu’un faible apport enthalpique des réactions exothermiques d’oxydation suffise au départ à entretenir la combustion. Cependant, la combustion cesse dès que le front de combustion s’éloigne de la surface parce que les couches supérieures, essentiellement composées de matériaux inertes et éventuellement de carbone résiduel, agissent comme un écran thermique pour le rayonnement incident provenant de la hotte. A l’opposé, pour de forts débits d’air primaires, il n’est possible de conclure à une extinction de la combustion par refroidissement convectif que si cette combustion existe au préalable. Ainsi, si l’on impose un débit d’air primaire de 25 Nm3 h-1 dès le début de l’expérience, le niveau thermique atteint par le solide peut ne pas être suffisant pour que naisse un front de combustion. Par contre, si l’on part d’un point de fonctionnement établi avec un débit de 15 Nm3 h-1, dont on sait qu’il assure l’ignition de la charge, il est alors possible d’augmenter progressivement le débit d’air primaire afin d’évaluer son influence sur la vitesse de propagation du front de combustion. La figure Fig. 3-16 met en évidence l’évolution de la vitesse d’avancée du front de combustion

Chapitre 3

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en fonction du débit d’air primaire et ce, pour différents diamètres de particules. On observe bien l’existence d’un débit minimal d’air primaire nécessaire à l’auto entretien du front de combustion et un débit d’air au-dessus duquel la combustion s’éteint. Ces débits minimaux et maximaux dépendent des caractéristiques physiques du combustible et en particulier du diamètre des particules.

Fig. 3-16 : Evolution de la vitesse du front de combustion en fonction du débit d’air primaire pour différents diamètres de particules

On observe également que plus le diamètre des particules est grand, plus la vitesse de propagation du front est grande pour un débit d’air primaire donné, et moins le domaine d’existence du front de combustion est étendu. En effet, le transfert de l’enthalpie libérée par les réactions d’oxydation dans la zone de combustion vive aux couches inférieures est d’autant facilité que le diamètre des particules est grand (augmentation de la conductivité effective par l’intermédiaire de λ_ray ∝d_p). Cependant, cette augmentation des échanges thermiques par rayonnement concerne aussi bien les couches situées au-dessus du front de combustion que celles situées en dessous. Il s’ensuit, d’une part, qu’une partie plus importante de l’enthalpie libérée au niveau du front de combustion sert à chauffer “inutilement” les couches supérieures et, d’autre part, que le niveau thermique atteint dans cette zone de combustion est d’autant plus bas que le diamètre des particules est grand. SHIN

et CHOI, 2000, ont également montré que la vitesse du front de combustion passe par un maximum en fonction du débit d’air primaire. Les résultats de leurs calculs montrent aussi

Modélisation de la combustion d’une charge d’OM en régime transitoire 123 un effet du diamètre des particules, mais dans le sens inverse de celui que nous avons observé : les débits limites provoquant l’extinction diminuent avec la taille des particules. Ce point mériterait d’être approfondi, en analysant séparément l’effet du diamètre des particules sur la conductivité effective, l’aire spécifique réactionnelle, l’air spécifique d’échanges thermiques et la perméabilité.

3.3 - Conclusion

Le modèle mathématique que nous avons développé, dont l’objectif est de simuler la combustion d’une charge en régime transitoire dans un réacteur de géométrie cylindrique, fournit des résultats comparables à ceux obtenus lors des expériences réalisées sur le pilote batch KLEAA. La description des processus physico-chimiques et thermiques ainsi que les hypothèses que nous avons retenues et sur lesquelles est construit le modèle semblent donc correctes.

Les simulations numériques nous ont permis de mieux comprendre les phénomènes qui interviennent lors de la combustion d’une charge solide et, en particulier, d’expliquer l’augmentation importante des températures en fin de combustion, qu’il est à présent possible d’attribuer à l’oxydation du carbone résiduel formé au cours de la pyrolyse. Nous avons également montré que le modèle représentait correctement (courbe de pertes de masses) la réponse du système à une augmentation du débit d’air primaire, ainsi qu’à un étagement temporel de ce dernier. Enfin, les simulations numériques ont fait apparaître des régimes de combustion particuliers pour lesquels l’oxygène apporté par l’air primaire est insuffisant pour entretenir la combustion ou bien, au contraire, pour lesquels on observe l’extinction de la charge par refroidissement convectif.

La comparaison des titres molaires calculés par le modèle et de ceux enregistrés sur le pilote fait apparaître quelques différences. Ces différences concernent en particulier le taux d’imbrûlés gazeux. Elles peuvent être expliquées par la connaissance imprécise de la composition du flux gazeux de pyrolyse de la charge dont il a déjà été question au chapitre 2. Même si l’analyse quantitative de ce flux ne semble pas nécessaire à la représentation correcte de la thermique de la combustion, elle apparaît indispensable à une prévision plus fine des évolutions des concentrations des espèces gazeuses pendant l’incinération.

Dans le chapitre 4, nous reprenons la même modélisation 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.

Chapitre 3

Simulation numérique de la combustion dans un incinérateur industriel 125