ETUDE EXPERIMENTALE DE LA COMBUSTION D`ORDURES

ETUDE EXPERIMENTALE DE LA COMBUSTION
D’ORDURES MENAGERES ET MODELISATION D’UN
FOUR D’INCINERATION
Y. Ménard*, F. Patisson*, Ph. Sessiecq*, D. Ablitzer*
* Laboratoire de Science et Génie des Matériaux et de Métallurgie (UMR 7584), Ecole des Mines de
Nancy, Parc de Saurupt, 54042 NANCY Cedex
Résumé. Afin de comprendre et de prévoir l’évolution de polluants tels que les métaux lourds lors de
l’incinération des ordures ménagères (OM), il est nécessaire de connaître les conditions physicochimiques et thermiques locales qui gouvernent leur transformation, aussi bien au niveau du lit de déchets
circulant sur la grille du four d’incinération d’où ils sont émis, qu’au niveau de la chambre de postcombustion où ces derniers vont progresser, transportés par le courant gazeux ascendant. Pour y parvenir,
nous étudions expérimentalement la pyrolyse et la combustion d’échantillons d’OM en utilisant la
technique de la thermogravimétrie couplée à la spectrométrie de masse. L’étude expérimentale de la
combustion d’un lit de déchets sur grille est abordée au moyen d'une installation pilote, instrumentée de
façon à pouvoir suivre en continu l’évolution des températures au sein du lit de combustible ainsi que les
concentrations de différentes espèces gazeuses. En parallèle, nous présentons un modèle de combustion
du lit d’OM qui prend en compte l'ensemble des étapes de transformation de la charge (séchage, pyrolyse,
oxydation du carbone résiduel), les réactions d'oxydation des gaz émis lors de l’étape de pyrolyse ainsi
que les transferts thermiques par conduction, convection et rayonnement à l'intérieur du lit, considéré
comme un milieu poreux. Enfin, la combustion à l’échelle du four (phase gazeuse située au-dessus du lit
et chambre de post-combustion) est simulée à l’aide du code de mécanique des fluides FLUENT.
INTRODUCTION
L'incinération des ordures ménagères (OM) est un procédé d’élimination qui
présente le double avantage de réduire considérablement le volume des déchets et de
les valoriser énergétiquement. Depuis plusieurs années, un effort particulier a été
porté sur l’optimisation des fours d’incinération existants, notamment pour les fours
à grilles, visant à minimiser l’émission de polluants gazeux comme les métaux
lourds, le CO, les NOx, les SOx, les COV et, à terme, les dioxines et les furanes.
Dans un incinérateur, la combustion se déroule dans deux régions distinctes : à
l’intérieur du lit d’OM circulant sur la grille et dans la région située au-dessus du lit,
où vont s’oxyder certains composés gazeux émis par ce dernier, en particulier les
hydrocarbures et le CO. Il apparaît donc naturel de s’intéresser à chacune de ces
zones. A l’intérieur du lit d’OM en combustion, différents processus de
transformation de la charge prennent place. Ils incluent une phase de séchage, une
étape de pyrolyse produisant un résidu carboné, une étape de combustion hétérogène
de ce carbone résiduel et une d’oxydation des gaz de pyrolyse. Les transferts de
chaleur se font par conduction, convection et par rayonnement à la surface et à
l’intérieur du lit. La combustion est influencée par les caractéristiques du
combustible (composition, humidité, PCI), ainsi que par l’environnement thermique
à l’intérieur de l’incinérateur. En particulier, le flux de chaleur transmis par
rayonnement au niveau des parois joue un rôle essentiel lors des étapes de séchage et
d’ignition de la charge. L’air primaire de combustion injecté sous la grille influence
quant à lui à la fois la combustion (disponibilité de l’oxygène) et les transferts de
chaleur et de matière au sein du lit.
Avec comme objectif final de prédire l’évolution des métaux lourds dans un
incinérateur, partie de l’étude qui n’a pas encore été abordée, nous avons entrepris
un ensemble d’études coordonnées, tant expérimentales que théoriques. L’étude
expérimentale de la pyrolyse de petits échantillons d’ordures ménagères
représentatifs, vise à déterminer les cinétiques de dévolatilisation et la nature des gaz
émis. L’étude expérimentale de la combustion d’un lit d’OM dans un four pilote a
pour but l’analyse des phénomènes à l’échelle du lit et l’obtention de données pour
la validation d’un modèle mathématique de combustion du lit d’OM. Ce dernier, en
cours de développement, est destiné à être couplé au calcul de l’écoulement et de la
thermique de la chambre de combustion.
ETUDE EXPERIMENTALE DE LA PYROLYSE ET DE LA COMBUSTION
D’ECHANTILLONS D’ORDURES MENAGERES
1. Appareillage de mesure
Pour caractériser les OM du point de vue de leur comportement thermique, nous
avons eu recours à l’analyse thermogravimétrique. La thermobalance utilisée est une
thermobalance à fours symétriques (TAG 24 de la société SETARAM) qui permet
de réaliser en parallèle des essais de perte de masse et d'analyse thermique
différentielle. Le gaz de balayage peut être soit un gaz oxydant (étude de la
combustion), soit un gaz inerte (étude de la pyrolyse). Cette thermobalance peut être
couplée à un spectromètre de masse en vue d'observer la nature des composés
gazeux émis dans la gamme de température 20°C - 1000°C.
2. Echantillons et essais réalisés
Les ordures ménagères utilisées nous ont été fournies par le laboratoire d'analyse
de la société TIRU. Nous disposons d'un lot de 10 kg de déchets broyés et séchés,
représentatif de la composition des OM de la région parisienne (lors de campagnes
d'échantillonnages qui ont lieu tous les 18 mois, TIRU réalise les opérations de tri,
de séchage et de broyage des composants séparés sur 1 tonne d'OM). Les
expériences de thermogravimétrie portent sur des échantillons de 30 à 40 mg,
sélectionnés manuellement.
De façon reproductible malgré l’échantillonnage, les essais montrent, en premier
lieu, une légère perte de masse, de la température ambiante jusqu'à une température
d'environ 150°C, caractéristique du séchage des échantillons. L'eau provient de la
reprise en humidité naturelle des déchets du fait de l'humidité de l'air ambiant. Les
pertes de masse principales débutent vers 250 °C dans le cas de l’utilisation d’air
reconstitué et 280°C dans le cas de l’utilisation d’argon. Ce décalage en température
tient bien sûr à la nature des gaz de balayage utilisés. Dans le premier cas (air
reconstitué) les déchets subissent une oxydation exothermique, dans le second ils se
dégradent thermiquement et peuvent subir une légère oxydation par l’oxygène
moléculaire contenu dans les déchets. De façon générale, cette décomposition
s'arrête vers 500°C.
La description fine de la dégradation thermique des OM passe par l'étude des
constituants les plus représentatifs de la charge d’OM. Cette étude est menée en
observant la pyrolyse de chacun des composés suivants : plastiques, cartons, papiers,
textiles, bois. Ces essais fournissent les données expérimentales nécessaires au
modèle numérique de combustion du lit d'OM présenté par la suite. Pour chaque
expérience, la vitesse de chauffe est égale à 20°C min-1 et l'argon est employé
comme gaz de balayage. La figure 1 regroupe les résultats de 8 essais, sous la forme
de vitesse de perte de masse en fonction de la température. Ces expériences
montrent que les vitesses de pyrolyse sont très différentes d'un constituant à l'autre et
qu’une modélisation fine doit en tenir compte. Ce type d’expériences, couplées à
l’analyse des gaz émis (cf. ci-dessous), sera repris à d’autres vitesses de chauffe afin
d’étudier l’influence de ce paramètre.
coton
-1
papier
-3
dm/dt, mg min-1
-5
-7
bois
-9
Carton
sacs plastiques
Fibre
textile
-11
plastique de
bouteille
-13
-15
0
100
200
300
400
500
600
température, °C
Figure 1. Cinétiques de pyrolyse de différents constituants d'OM
(vitesse de chauffe : 20°C min-1, gaz de balayage : argon).
3. Principaux gaz de pyrolyse émis : aspect qualitatif
Pour compléter les mesures thermogravimétriques, nous avons analysé les gaz émis
par spectrométrie de masse. Les expériences réalisées montrent que les principaux
composés gazeux émis lors de la pyrolyse sont CO, CO2, H2, et des hydrocarbures
en C1, C2, C3 et C4. Notre intérêt porte aujourd'hui sur des mesures quantitatives de
ces émissions, par chromatographie en phase gazeuse. Ces données seront intégrées
au modèle numérique de combustion d'un lit d'OM.
ETUDE EXPERIMENTALE ET THEORIQUE DE LA COMBUSTION
D’ORDURES MENAGERES SUR GRILLE
1. Combustion d’un lit d’ordures ménagères : aspect expérimental
Afin d’analyser les phénomènes mis en jeu à l’échelle du lit de déchets, il est
nécessaire de disposer d’une installation expérimentale adaptée à l’étude de sa
combustion. Le laboratoire ITC-TAB, dirigé par le professeur H. SEIFERT du
centre de recherche de Karlsruhe dispose d’une telle installation (figure 2) sur
laquelle nous avons réalisé une campagne d’essais. Ce pilote se compose d'une
chambre de combustion, d'un étage de postcombustion, d'un échangeur de chaleur,
d'un filtre à particules, d'un adsorbeur à charbon actif et d'un régulateur de pression
haute fréquence. La chambre de combustion est divisée en deux parties : la partie
inférieure, mobile, constitue le réacteur de combustion (cylindre de 300 mm de
hauteur et de 250 mm de diamètre) où l'on place la charge (environ 5 kg), la partie
supérieure en réfractaire est maintenue à la température de 850°C. La température de
l'étage de postcombustion est régulée à 950°C. Treize thermocouples placés en
quinconces sur toute la hauteur du lit de déchets permettent de suivre l'évolution du
front de combustion au cours du temps et plusieurs dispositifs d'analyse des gaz
enregistrent en continu les concentrations en O2, CO, CO2, imbrûlés gazeux et H2O,
en amont et en aval de la chambre de postcombustion. Enfin, la partie four repose
sur une balance qui permet de suivre l'évolution de la masse de combustible au cours
du temps.
Air secondaire
Chambre de combustion
T
T
Echangeur de
chaleur
CO
O2
CO2
H2O
org. C
Adsorbeur à
charbon actif
combust ible
T
T
T
Système de
pesée
Air primaire
T
CO
O2
CO2
H2O
org. C
Filtre à
particules
Régulateur
de pression
haute
fréquence
Etage de postcombustion
Figure 2. Schéma de l’installation pilote du laboratoire ITC-TAB du centre de
recherche de Karlsruhe.
1.1. Types de combustibles utilisés et conditions de fonctionnement
Les expériences ont été réalisées avec soit des copeaux de bois soit un mélange de
combustibles représentant la composition moyenne des OM en Allemagne. Les
débits d'air primaire sont calculés à partir du P.C.I. de la charge, de sa teneur en
cendres et de l'excès d'air égal à 1,5 pour toutes les expériences. L'humidité initiale
de la charge est contrôlée. Pour des copeaux de bois, elle est ajustée en faisant
séjourner la charge plusieurs heures dans l'eau. Pour les OM reconstituées, l'eau est
apportée par ajout d'un composé végétal lui-même composé à 95% d'eau.
1.2. Résultats des expériences
La figure 3 révèle le comportement typique d’un lit de déchets en combustion.
Progression descendante du front
de combustion
1200
température, °C
1000
800
600
400
200
0
0
500
1000
1500
2000
2500
temps, s
25
2500
O2
CxHy
2000
CO2
-3
titre massique
20
15
1500
10
1000
5
H2O
CO
0
500
0
0
(b)
CxHy, mg Nm
(a)
500
1000
1500
2000
2500
temps, s
Figure 3. Evolution en fonction du temps lors de la combustion d’un lit de déchets
(a) de la température dans le lit à différentes hauteurs
(b) de la composition du gaz en sortie de four
(déchet = copeaux de bois, masse totale 3000 g dont 30% d'eau, débit
d’air primaire 15 Nm3 h-1 à 30°C, débit d’air secondaire 10 Nm3 h-1).
Lorsque la charge est introduite dans le four, dont les parois sont maintenues à
850°C, la surface du lit est immédiatement exposée au flux de chaleur par
rayonnement. La température de la charge s’élève alors brusquement (cf. figure 3a),
après une courte période de séchage intensif, le dessus de la charge est pyrolysé,
donnant naissance à un résidu carboné. Les gaz de pyrolyse ainsi que le carbone
résiduel s’oxydent grâce à l’air primaire ascendant. A ce même instant (t=220 s, cf.
figure 3b), la concentration en oxygène mesurée en sortie de four chute, alors que la
concentration en vapeur d’eau ainsi qu’en CO2 augmente brusquement, signe du
démarrage de la combustion. La température atteint 900°C dans la couche
supérieure, alors que le thermocouple suivant, placé 2 cm plus bas, indique encore la
température ambiante. Ceci s’explique par la faible conductivité thermique du lit
ainsi que par le refroidissement du solide par échange convectif avec le gaz
ascendant. Le front de combustion se propage donc du haut vers le bas, à contre
courant de l’écoulement gazeux. A partir de t=600 s, l’oxygène vient à manquer et,
alors que la concentration en CO2 reste constante, la concentration en CO et en
imbrûlés gazeux (CxHy) augmente. En fin d’expérience, le retour de l’oxygène
permet la combustion du combustible restant, avant le refroidissement final par l’air
primaire.
2. Modèle mathématique de la combustion d’un lit d’OM
La littérature reste pauvre en modèle de combustion sur grille d’une charge d’OM
[1-2]. Nous avons développé un nouveau modèle de combustion d’un lit d’OM pour
pouvoir simuler à la fois le comportement du lit d’OM circulant industriel et pour
représenter le fonctionnement de l’installation pilote décrite précédemment. Le
même modèle mathématique est ainsi décliné en deux versions bidimensionnelles,
l’une en coordonnées cartésiennes et en régime permanent adaptée au cas d’une
grille industrielle, l’autre en coordonnées cylindriques et régime transitoire pour
représenter l’installation pilote.
Ce modèle représente le lit d’OM par un milieu poreux traversé par un gaz. Le
solide et la phase gazeuse ont des températures différentes. La charge est supposée
être composée d’une partie inerte (gravas, verre, ferrailles), d’une partie combustible
(plastiques, carton-papiers, fines, textiles, fermentescibles) laissant un résidu
carboné après pyrolyse, et d’eau. L’étape de pyrolyse est décrite différemment pour
chacun des combustibles solides, qui possède une cinétique de dévolatilisation qui
lui est propre. Le gaz de pyrolyse est composé de CO2, H2O, CO, CH4 et H2. Ces
trois derniers constituants peuvent s’oxyder en présence d’oxygène à l’intérieur
même du lit. Le résidu carboné brûle en présence d’oxygène et produit CO et CO2.
Les transferts de chaleur par convection, conduction et rayonnement sont pris en
compte. Les équations de bilan de matière, de quantité de mouvement et d’énergie
sont résolues après discrétisation, par la méthode des volumes finis. Les premiers
résultats obtenus ont montré une bonne description qualitative des différents
phénomènes par le modèle. Une comparaison quantitative avec les mesures est en
cours.
MODELISATION DE LA CHAMBRE DE COMBUSTION D’UN
INCINERATEUR
L’objectif de cette modélisation est de connaître en tout lieu de la chambre de
combustion, la température du mélange gazeux réactif et sa composition. Le four
d’incinération étudié est un des fours de l’UIOM de Strasbourg. Sa capacité
d’incinération est de 12 t h-1, le débit d’air primaire vaut environ 20 000 Nm3 h-1,
celui d’air secondaire est de 15 000 Nm3 h-1. L’air secondaire est injecté par 24
buses de diamètre égal à 80 mm disposées sur les murs latéraux et sur le mur arrière
de l’incinérateur. Le maillage tridimensionnel de ce four, effectué à l’aide du
logiciel Gambit, comporte 300 000 mailles.
Dans l’attente du couplage avec le modèle de lit, les calculs supposent
actuellement une pyrolyse immédiate des déchets sur la grille donnant naissance à
un gaz combustible : le méthane [3-6]. Ce gaz s'oxyde alors selon le mécanisme de
Magnussen [7] qui permet de simuler la formation de CO et par conséquent de juger
de la qualité de la combustion. L’écoulement turbulent des gaz est décrit par le
modèle k − ε standard de turbulence.
Ces simulations, réalisées à l’aide du code de mécanique des fluides Fluent,
montrent que l'écoulement des gaz dans le four est fortement tridimensionnel du fait
de la géométrie du four et de la présence de nombreux injecteurs d'air secondaire
dont le rôle est d'améliorer la turbulence. La figure 4 représente les profils de
concentration en dioxyde de carbone dans le plan de symétrie du réacteur. Le CO,
produit de la première étape de la réaction d’oxydation du méthane, est formé à
proximité de la grille puis il s'oxyde en CO2 grâce à l'oxygène encore disponible.
Cette oxydation est achevée par l’injection d’air secondaire.
Sortie des gaz
1,93.10-2
1,77.10-2
1,61.10-2
1,45.10-2
1,29.10-2
1,13.10-2
9,67.10-3
8,06.10-3
6,44.10-3
4,83.10-3
3,22.10-3
Lit de déchets circulant
1,61.10-3
0
Figure 4. Carte de concentration en CO2, kg m-3.
CONCLUSION
Nous présentons un ensemble de travaux tant expérimentaux que théoriques visant,
d’une part, à décrire le comportement thermique d’une charge d’OM en combustion
et, d’autre part, à obtenir une cartographie complète de l’environnement thermique
et chimique à l’intérieur d’un incinérateur industriel. Pour y parvenir, nous étudions
expérimentalement la pyrolyse d’échantillons d’OM afin d’en déduire les cinétiques
de dévolatilisation et la nature des gaz émis. L’étude de la combustion d’une charge
de plusieurs kilogrammes est entreprise afin de valider le modèle de combustion du
lit d’OM que nous avons développé. Enfin, l’étude de l’aérodynamique des gaz
réactifs dans un incinérateur industriel est menée à l’aide du code de mécanique des
fluides numérique Fluent.
Remerciements
Nous remercions pour son soutien l’Action de Recherche Coordonnée “Cycle des
métaux lourds lors de l’incinération des ordures ménagères” financée par l’ADEME
et le CNRS (Ecodev), et pour leur collaboration M. PIEROTTI de la société TIRU et
MM. SEIFERT, VELHOW, MERZ et WALTER du laboratoire ITC-TAB du
Forschungszentrum Karlsruhe.
REFERENCES
[1] Shin D., Choi S., The Combustion of Simulated Waste Particles in a fixed Bed, Combustion and
Flame, 121 (2000), 167-180.
[2] Goh Y.R., Siddall R.G., Nasserzadeh V., Zakaria R., Swithenbank J., Lawrence D., Garrod N, Jones
B., Mathematical modelling of the burning bed of a waste incinerator, Journal of the Institute of
Energy, 71 (1998), 110-118.
[3] Chen K.S., Tong C.H., Modeling of Turbulent Burning Flow and Performance Evaluation Of
Municipal Solid Waste Incinerator, Journal of Environmental Engineering, 123 n°11 (1997), 11501157.
[4] Chen K.S., Tsai Y.J., Lou J.C., Three Dimensional Combustion Modeling in Municipal Solid-Waste
Incinerator, Journal of environmental engineering, 125 (1999), 166-174.
[5] Nasserzadeh V., Swithenbank J., Schofield C., Scott D.W., Loader A., Leonard A., Design
Optimization of Coventry Municipal Solid Waste Incinerator, Journal of Environmental engineering,
120 (1994), 1615-1629.
[6] Shin D., Ryu C.K., Choi S., Computational Fluid Dynamics Evaluation of Good Combustion
Performance in Waste Incinerators, Journal of the Air & Waste Management Association, 48 (1998),
345-351.
[7] Magnussen B.F., Hjertager B.H., On Mathematical Modeling of Turbulent Combustion with Special
Emphasis on Soot Formation and Combustion, Proc. 16th Symp. (Int.) on Combustion, Combustion
Inst., (1976), 719-727.