Comportement thermique des mâchefers à long terme : étude préliminaire

(1)

HAL Id: hal-01133041

https://hal-brgm.archives-ouvertes.fr/hal-01133041

Submitted on 18 Mar 2015

HAL is a multi-disciplinary open access

archive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

Comportement thermique des mâchefers à long terme : étude préliminaire

Laurent Guillou-Frottier

To cite this version:

Laurent Guillou-Frottier. Comportement thermique des mâchefers à long terme : étude préliminaire. Colloque MIOM 2001 : Quel avenir pour les MIOM ?, Oct 2001, Orléans, France. 2001. �hal-01133041�

(2)

BRGM

45060 Orléans

Cedex

FRANCE

Phone.: 02 38 64 47 91 Fax : 02 38 64 36 52

Comportement thermique des mâchefers à long terme :

étude préliminaire

SER

VING

THE EAR

TH

BRGM, Service des Ressources Minérales, 3 avenue Claude-Guillemin, BP 6009, 45060 Orléans, France .

Tel : 02 38 64 47 91 ; e-mail : l.guillou-frottier@brgm.fr

Présenté au

colloque :

« MIOM 2001 » :

Orléans,

France

16-18 octobre

2001

Laurent Guillou-Frottier

BP 6009

Résumé

Expériences préliminaires

Courbes non lissées

References

:

- Bodénan, F, et Piantone, P., Maturation des mâchefers d’incinération d’ordures ménagères : validation du mécanisme, mise au point d’un test prévisionnel, Rapport d’avancement semestriel, Convention d’études n°23/98 avec le MATE/DPPR, Note BRGM, DR/LPM, n°99/156, juillet 1999.

- Carslaw, H.S., et Jaeger, J.C., Heat conduction in solids, Oxford Univ. Press, 2nd_{ed., 510p., 1959.}

- Freyssinet, P., Piantone, P., Azaroual, M., Itard, Y., Clozel, B., Baubron, J-C., Hau, J-M., Guyonnet, D., Guillou-Frottier, L., Pillard, F., et Jezequel, P., Evolution chimique et minéralogique des mâchefers d’incinération d’ordures ménagères au cours de la maturation, Document du BRGM n°280, 146p., 1998.

- Guillou-Frottier, L., Etude de faisabilité sur la compréhension du régime thermique des mâchefers au cours de leur maturation, Note BRGM, REM/MESY, n°2000/015, 2000.

• Ce travail présente une étude de faisabilité pour le montage d’un laboratoire expérimental, destiné spécifiquement à la

compréhension des processus thermiques

au cours de la maturation

des mâchefers. A partir de quelques

courbes expérimentales

décrivant l’évolution de la température au sein d’un mâchefer soumis à une carbonatation accélérée (Bodénan et Piantone, 1999),

une analyse critique est décrite (conditions de l’expérience, représentation biaisée de l’évolution thermique). Ces courbes sont alors analysées dans leurs détails, et il est montré que des

phénomènes insoupçonnés

peuvent être enregistrés thermiquement (présence de convection thermique, possibilité de présence de plusieurs réactions exothermiques, variations dans le

processus de refroidissement selon la composition du mâchefer, etc).

• Une

modélisation théorique

du refroidissement d’une colonne de mâchefer est comparée avec les données expérimentales obtenues. Malgré la simplification du modèle (conduction pure

dans une plaque isolée par les côtés), il est possible de prédire qu’au cours de la carbonatation, les

propriétés thermiques se modifient au cours du temps

, ce qui s’explique par l’apparition de

minéraux néoformés. En particulier, la

diffusivité thermique

diminue d ’un facteur 5 environ entre le début de l ’expérience (le mâchefer est riche en « ferrailles ») et la fin de la carbonatation,

où la valeur de la diffusivité se rapproche de celle des roches terrestres.

• La compréhension du comportement thermique d’un matériau soumis à des sollicitations contrôlées ne peut que valoriser et améliorer les informations obtenues sur l’évolution chimique et

minéralogique de ce matériau. Dans le cas d’un mâchefer, le fait que les propriétés thermiques semblent évoluer de façon continue au cours du temps, nécessite une

approche expérimentale

,

et si possible le développement d’une

approche numérique et théorique nouvelle

où les « constantes » thermiques seraient en réalité fonction du temps.

• L’approche expérimentale préconisée permettrait de mieux caractériser ce matériau complexe, de comprendre les transferts thermiques qui sont mis en jeu en fonction des diverses conditions

initiales (composition, taux d’humidité, etc). Enfin, l’approche thermique devrait, à plus long terme, permettre de suggérer des

géométries optimales de stockage

afin de mieux appréhender

les contraintes environnementales.

Modélisation théorique du refroidissement

Dispositif expérimental suggéré

• Au cours de l’année 1999, des expériences de laboratoire ont été menées

dans le but de comparer un mâchefer frais d’un mâchefer carbonaté, par le

biais d’un procédé de carbonatation accélérée (Bodénan et Piantone, 1999).

Des mesures de pH ainsi que des mesures de température on été réalisées.

Dans cette procédure, la carbonatation accélérée se traduite par une montée

brutale de la température, et le retour à l’équilibre se produit environ 6h

après le début de l’expérience. Plusieurs colonnes (cylindres isolés) de

mâchefers, dont la composition varie, ont ainsi été soumis simultanément à

cette carbonatation (voir schéma). Deux séries d’expériences ont été menées.

Dans la deuxième série, l’isolation thermique des colonnes était plus

importante, et le temps de retour à l’équilibre plus long.

• Les courbes présentées à droite du schéma expérimental montrent les

données thermiques telles qu’elles sont reproduites dans le rapport cité

ci-dessus. Étant donnés les objectifs de cette étude initiale, les auteurs

n’ont pas représenté l’ensemble des données thermiques, et l’on ne retient

que l’évolution générale de la température. Quelques points pourtant

(commentés sous les figures) peuvent déjà être soulevés.

Schéma simplifié des conditions des expériences

réalisées dans une salle non climatisée.

Les mesures sont effectuées toutes les 15 à 30s, mais

ne sont pas toutes représentées sur les courbes

de droite.

Cas des mâchefers frais appelés « F1 », « F2 » et « F3 », soumis à une

carbonatation accélérée à t

₀

+15mn environ. Les 2 flèches indiquent des

comportements atypiques (voir les courbes non lissées).

Cas de la 2ème série d’expériences où les mesures correspondent à différents

mâchefers (« voies 1,2, 4 et 5 »). Les courbes lissées empêchent d’interpréter

correctement les variations de la température. La signature entourée d’une

ellipse ne correspond pas à un défaut de mesure (voir agrandissement à gauche).

En utilisant l’ensemble des mesures de température, on distingue aisément le bruit instrumental des variations dues au type de transfert thermique. Les sautes de températures qui sont mesurées sur chacune des voies

(encadrées en pointillés) correspondent à une perturbation extérieure.

La rupture de pente (F1) qui se traduit par un refroidissement plus lent que pour F2 ou F3 suggère la présence, pour ce mâchefer, d ’une nouvelle réaction exothermique à ~ t0+25mn.

______________________________ Selon la composition du mâchefer, le maximum thermique peut varier d’un facteur 2 (comparer les voies 4 et 5). La courbe d ’amplitude maximum (voie 5) est utilisée pour la modélisation théorique (ci-dessous).

Détails sur le décalage initialement interprété

comme une erreur instrumentale.

Le fait que l’on dispose des mesures effectuées toutes les 30s permet de mieux caractériser l’oscillation identifiée sur la voie 2. Le caractère systématique de l’oscillation permet d ’éliminer l’hypothèse d’un bruit expérimental chaotique. Il est proposé que cette signature, qui apparaît pour la

température maximum, soit la manifestation d’une convection thermique locale (au niveau du thermocouple) ; cela devrait permettre de tracer la présence de fluide en mouvement.

Puisque la montée en température est brutale, on peut assimiler le mâchefer

à un matériau qui refroidit instantanément à partir d’une température maximum T1, pour retrouver sa température d’équilibre T0. Afin de pouvoir reproduire au

mieux l’évolution mesurée en laboratoire, la voie 5 est utilisée (T1=63.1°C et

T0=30.6°C). On se place dans l’hypothèse d ’un régime purement conductif.

Une modélisation précise nécessiterait de considérer une colonne cylindrique, isolée sur les côtés et refroidie par ses faces supérieures. Toutefois, la solution analytique donnée par Carslaw et Jaeger (1959), fait intervenir des coefficients de transmission de chaleur, inconnus pour les mâchefers.

Dans une première approche, et puisqu’il y a isolation par les côtés, la colonne est modélisée par une plaque semi-infinie, refroidie par ses faces supérieures. La solution de conduction s’exprime cette fois-ci à

l’aide de la diffusivité thermique

k

du matériau :

































  2 2 2 1 0

exp

sin

)

1 (

2 )

,

(

d

t

n

d

z

n

T

t

z

T

n n

k



On retrouve une somme de gaussiennes, allures visibles sur les courbes expérimentales.

Les résultats présentés sur la figure de droite ont été obtenus pour

différentes valeurs de la diffusivité thermique k. Cette valeur entre dans l’expression de la constante de temps régissant la vitesse de

refroidissement du mâchefer.

La figure contient, en pointillés rouge, les mesures obtenues sur la voie 5, afin de déterminer la valeur la plus adéquate de la diffusivité thermique.

Cas de la plaque semi-infinie, refroidie par ses faces horizontales

• Les courbes pleines montrent que le refroidissement est d ’autant plus rapide que le milieu est conducteur (sa diffusivité thermique est grande).

• Par contre, il apparaît qu’au cours du temps, le mâchefer voit sa diffusivité diminuer d’un facteur 5 environ : alors qu’il est riche en ferrailles au début de la carbonatation, les minéraux néoformés ralentissent la vitesse de refroidissement.

 la diffusivité thermique d’un mâchefer est donc une fonction du temps

La plaque supérieure n’est pas représentée pour la visibilité du schéma, mais serait identique à la

plaque inférieure, permettant de maintenir une température constante. De même, l’alimentation en

CO

2

n’est pas représentée, ni les manomètres et autres sondes de contrôle, facilement incorporables

dans le dispositif (voir certains détails ci-dessous). La possibilité de déplacer les différentes cannes

de thermocouples permettrait de «

cartographier thermiquement

» l’ensemble du dispositif et

donc de mieux comprendre les processus thermiques en jeu (conduction pure, convection locale

ou globale, etc…).

Afin de mieux comprendre les processus thermiques mis en jeu dans les matériaux complexes comme

les mâchefers, il est suggéré, en attendant le développement de nouvelles théories ou de nouveaux

modèles numériques, de

travailler directement en laboratoire

sur l’analyse de l’évolution

thermique d’un mâchefer soumis à diverses

conditions contrôlées

(composition, taux d’humidité,

sollicitations thermiques, etc…).

Un dispositif simple à mettre en œuvre est présenté ci-dessous :

T(t) pour voie 2 (zoom) (mesures toutes les 15s)

15 20 25 30 35 40 45 19:31:59 19:41:59 19:51:59 20:01:59 20:11:59 20:21:59 20:31:59 Temps (hh:mn:ss) T emp ér atu re (° C ) 10 mns

début de l'oscillation thermique

oscillations toujours décelables et de même longueur d'onde

Courbes non lissées - Mâchefers octobre 99 mesures ponctuelles, toutes les 15s

20 30 40 50 60 70 19:31:59 20:21:59 21:11:59 22:01:59 22:51:59 23:41:59 0:31:59 1:21:59 Temps (hh:mn:ss) T emp ér atu re (° C ) 20 30 40 50 60 70 Voie 1 Voie 2 Voie 4 Voie 5 t0 Voie 1 Voie 2 Voie 4 Voie 5 t0+50mns t0+100mns

(courbe utilisée pour la modélisation théorique)

Courbes non lissées - Mâchefers F1, F2, F3 mesures ponctuelles, toutes les 30s

15 20 25 30 35 40 45 9:08:56 10:22:27 11:12:27 12:02:27 12:52:27 13:42:27 14:32:27 15:22:27 16:12:27 Temps (hh:mn:ss) T e m p é ra tu re ( °C) 15 20 25 30 35 40 45 F1 Voie 1 S. frais F2 Voie 2 Lyon F3 Voie 3 Dijon F2 F1 F3 50 mns rupture de pente

refroidissement F1 plus lent que refroidissement F2 ou F3 perturbation extérieure 20 30 40 50 60 1:12 2:38 4:04 5:31 Temps (h:mn) T °C Voie 5 Voie 2 Voie 1 Voie 4

Courbes lissées sur 10 points (Bodénan et Piantone, 1999)

décalage non interprétable avec cette représentation

15 20 25 30 35 40 45 0:00 1:12 2:24 3:36 4:48 6:00 Temps (h:mn) T °C F1 F2 F3 CO2

Courbes lissées sur 5 points

puis sur 20 points (Bodénan et Piantone, 1999).

voir courbes non lissées

Mesures de pH et de température

Isolation partielle avec de la laine de verrre

Mâchefer F1 Mâchefer F3

CO

₂

CO

₂

CO

2

Mâchefer F2

Vue en coupe, avec isolation et autre disposition des cannes :

Apport de CO

2 eau thermostatée eau thermostatée isolation

des parois

mâchefer

Voltmètre scrutateur à n voies

Mâchefer

Plaque conductrice à température constante contrôlée par un thermostat (ou cryostat)

Bains

thermostatés

Grille de diffusion

du C

, à la base

du matériau

O

₂ PC pilote + traitement des acquisitions

Emplacements potentiels de diverses cannes

Circuit d’eau entre le bain et les plaques

Cannes de thermocouples

20 30 40 50 60 70

Te

m

p

e

ra

tu

re

(

°C

)

0 300 0 600 0 900 0 120 00 150 00 180 00 210 00