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Etude parametrique et optimisation d’un processus de
combustion de charges organiques confinees dans une
paroi poreuse
Q. Balme
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Q. Balme. Etude parametrique et optimisation d’un processus de combustion de charges organiques confinees dans une paroi poreuse. Les 17èmes Journées Scientifiques de Marcoule, Jun 2017, Bagnols Sur Ceze, France. �hal-02417806�
Les 17èmes Journées Scientifiques de Marcoule 22 – 23 juin 2017
Document propriété du CEA – Reproduction et diffusion externes au CEA soumises à l’autorisation de l’émetteur
Etude paramétrique et optimisation d’un processus de combustion de
charges organiques confinées dans une paroi poreuse
Nom, Prénom : Balme Quentin Contrat : CEA
Responsable CEA : Charvin Patrice Organisme co-financeur : AREVA Directeurs universitaires : Lemont Florent (CEA),
Marias Frédérique (UPPA/LaTEP)
Université d'inscription : INP Grenoble Laboratoire d’accueil : SEVT/LPTI Ecole doctorale : I-MEP2
Date de début de thèse : 12-10-2015 Master : ESCPE Lyon
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I. Présentation du sujet
L’objectif de ce travail est d’étudier la dégradation thermique d’une charge organique (mélange de plastiques) contenue dans une paroi poreuse (tissu en fibre de verre). Nous souhaitons déterminer les conditions permettant d’obtenir un débit constant de gaz et de minimiser la production de suies. Les principaux plastiques étudiés dans cette étude sont le polyéthylène (PE), le polyuréthane (PUR), polychlorure de vinyle (PVC) et le néoprène.
II. Développement d’un dispositif d’ATG gros volume
Dans le but d’étudier la combustion de plastiques, le LPTI a développé DANTE[1]
(Dispositif d’Analyse Thermique Expérimental). Il s’agit d’une macro-ATG de type suspendu qui présente la particularité de pouvoir introduire un échantillon froid directement dans le four chaud ou de le soumettre à une rampe de température. Il permet l’analyse d’échantillons dont la variation de masse est de plusieurs dizaines de grammes. Avant de pouvoir utiliser DANTE dans l’étude de la combustion de plastiques, nous avons cherché et corrigé les erreurs qui pouvaient nuire à l’exactitude et à la précision des mesures.
1. Etude qualificative de DANTE
1.1.1. Masse
Nous avons pu détecter principalement deux erreurs sur la mesure de masse. La première est due à une variation de la température du peson (capteur de contrainte) lors de la mesure. Cet effet est réduit par l’ajout d’isolants, d’un refroidissement par balayage d’air et de dispositifs visant à diminuer les transferts par convection. Le deuxième effet est l’action des forces visqueuses du gaz de balayage sur la canne. Cette erreur peut être simplement corrigée par étalonnage ou par tarage lorsque la mesure est réalisée à ΔP constant. En effet, il est possible de constater sur la Figure 1que la variation de masse
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1.1.2. Température
Lorsque l’échantillon présente une masse importante et/ou une mauvaise conductivité thermique, un gradient de température peut apparaitre dans l’échantillon. Ce gradient rend délicate l’interprétation des résultats, car plusieurs événements thermiques peuvent prendre place simultanément alors qu’ils ont lieu à des températures différentes. De plus la régulation de la température échantillon peut être difficile car l’énergie adsorbée ou produite par l’échantillon peut avoir un effet d’autant plus important sur sa température que son volume est élevé (ratio Surface/Volume plus faible que sur une thermo-balance commerciale).
2. Résultats de combustion de polyéthylène
Lors de l’étude de dégradation de polyéthylène sur DANTE, l’échantillon, contenu dans un creuset, peut être descendu directement dans un four à 440°C. Il n’y a dans ce cas pas de régulation dynamique de la température. Après le début de l’inflammation l’échantillon est majoritairement chauffé par la flamme. La Figure 2 présente l’évolution de la masse et de la température de quatre échantillons de PE de masse initiale différente. Le t=0s de la courbe de TG est fixé au début de la combustion (apparition d’une flamme). Le profil de vitesse de perte de masse en fonction du temps est semblable quelque soit la masse d’échantillon initialement introduite. La température de l’échantillon augmente puis se stabilise à une valeur qui semble indépendante de la masse. Ce plateau de température laisse penser qu’il y a une bonne homogénéisation de la température de l’échantillon après quelques minutes de combustion du polyéthylène. Cela peut s’expliquer par un passage du polyéthylène en phase liquide. La température de l’échantillon est alors fixée par l’équilibre entre l’énergie nécessaire aux réactions de pyrolyse et l’énergie fournie par la flamme. La vitesse de production de gaz étant constante lors de ces paliers de température, la température du polyéthylène devient elle aussi constante. En fin de combustion la flamme entre dans le creuset ce qui provoque une montée rapide de la température (pic). Ces résultats sont intéressants car ils montrent une indépendance de la masse d’échantillon initiale sur la vitesse de dégradation et une vitesse de perte de masse pratiquement constante après quelques minutes de réactions.
III. Dégradation thermique des plastiques
La dégradation thermique des plastiques est le couplage de réactions de pyrolyse dans la phase condensée et de combustion dans la phase gazeuse. DANTE ne permet pas une étude phénoménologique. Il est donc nécessaire de réaliser en parallèle d’autres études. Une étude visuelle permet d’observer différent comportement de plastiques lors de leur pyrolyse. Certains plastiques comme le polyuréthane (PUR) ou le polyéthylène (PE) deviennent des liquides. Leur viscosité diminue avec l’augmentation de la température et la rupture des chaines. Cela laisse présager la possibilité d’une homogénéisation thermique de l’échantillon par convection. D’autres plastiques comme le polychlorure de vinyle (PVC) ou le néoprène restent solide.
[1] « Macro-TGA development », Q. BALME, F. LEMONT, F. MARIAS, P. CHARVIN, F. ROUSSET, J. SEDAN, J. BONDROIT, Thermochim. Acta (submitted)
Figure 2 COMBUSTION DU PE : MASSE ET TEMPERATURE EN FONCTION DU TEMPS
Bulles Phase solide
