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UNIVERSITÉ DE DOUALAUnité de Formation Doctorale Physique et Sciences de l’Ingénieur
LABORATOIRE D’ENERGIE
MODELISATION ET SIMULATION DE LA COMBUSTION DES COQUES DE PALMISTE DANS UN FOUR DE FUSION DE LA FERRAILLE
(Rapport d’avancement des travaux de thèse P
Directeur : Pr AYINA OHANDJA (Maître de conférence, Université de Douala)
Encadreur :Dr OBOUNOU Marcel (Chargé de cours, Université de Yaoundé 1)
Co-encadreur : Dr CAILLAT Sébastien (Maître de conférence, Université de Lille 1)
EPESSE MISSE Samuel Eugène
Ngaoundéré, 09 Mars 2011
PLAN DE L’EXPOSE
• Introduction
• 1-PRESENTATION DES COQUES DE PALMISTES
• 2-PRESENTATION DU FOUR DE FUSION
• 3-MODELISATION MATHEMATIQUE
• 4-PROBLEMES DETECTES
• Conclusion
CONTEXTE
Disponibilité des noix de palme
Valorisation de déchets issus de la biomasse
Optimisation de l’exploitation du cubilot
Coques de palmiste : disponibilité
BREF APERCU BIBLIOGRAPHIQUE
• TZE CHEAN OOI et al. [2] montrent que la substitution de 10% de coke par des coques de graines de tournesol comme combustible dans un four de réduction du minerai de fer ne change pas de façon significative les caractéristiques de la combustion ou la qualité de la réduction.
• JENKINS et al. [8] relèvent les influences de la composition chimique de la biomasse sur les taux de combustion et d’émission des polluants.
• WERTHER et al. [11] s’intéressent à la combustion des coques de café et soulèvent des problèmes posés par les cendres issus de la combustion
• OSVADA [20] compare les cinétiques de pyrolyse, de combustion et de gazéification des graines de pin, des coques d’olive et des fragments de bois. Il compare ainsi leurs caractéristiques en terme de combustion suite aux différents rapports O/C ,H/C et leur taux de cendre.
1-PRESENTATION DES COQUES DE PALMISTES
Analyse chimique élémentaire (théorique)
• 51% C• 8% H• 32% O• O.1% N• 3.9% Eau• 5% Cendre
Analyse sur brut (s’inspirant du tableau présenté par WERTHER et al.[9])
• 65% Volatile• 20% Charbon• 10% Eau• 5% Cendre
D’où les fractions molaires suivantes:
• 0.19 C• 0.60 H• 0.16 O• 0.05 N
Tableau présenté par Werther et al.
2-PRESENTATION DU FOUR DE FUSION
Le four de fusion expérimental a les caractéristiques suivantes:
• Production horaire : P = 153,6 kg/h soit 0.1536t/h
• Volume de préchauffage: V = 38.25L soit 38.25x10 m
• Indice de capacité de préchauffage : ICP = 0.25 m /t
• Durée maxi de fonctionnement (journalier) : 3 heures
• Débit de vent : de 130m /h à 190 m /h• Pression de vent à la sortie des tuyères :
de 5000 Pa à 6800 Pa
Fonctionnement du four
• La ferraille à fondre, la chaux et le combustible sont enfournés en charges alternées au gueulard tandis que l’air froid est insufflé par les tuyères.
• Le gaz formé par la combustion aux tuyères monte au gueulard en traversant la charge
solide
Le cubilot : exemple de chargement
3 -MODELISATION MATHEMATIQUE
Etant complexe pour l’ensemble du four, on s’intéresse d’abord à la modélisation d’une tranche de combustible
Plusieurs simplifications ont été utilisées:• Régime permanent• Combustible- matière volatile uniquement• Débit d’air calculé• Débit de matières volatiles égal au débit des
morceaux de coques de palmiste enregistré• Morceaux de coques assimilés à des sphères de
rayon constant• Surface des obstacles intérieurs adiabatique
Modèles utilisés• Modèle de la fraction de mélange• Modèle de PDF• Turbulence k-ε standard• Milieu poreux
Combustion des coques de palmiste
On distingue cinq phases:
• Chauffage• Séchage• Dégagement des matières
volatiles• Combustion des matières
volatiles• Combustion du résidu
charbonneux
4-Problèmes détectés
Présentation du four de Krystina
6
VSB VSB –– TU dTU d´́Ostrava, Ostrava, RRéépubliquepublique TchTchèèqueque, Centre de , Centre de RechercheRecherche
CHARTREUSE 22Performances :
Pn = 18 kWTs,eau = 80 °CVeau = 40 lTfumées = 350 °C
Dimensions : 1165 x 785 x 682 mm
Principe de fonctionnement
9
VSB VSB –– TU dTU d´́Ostrava, Ostrava, RRéépubliquepublique TchTchèèqueque, Centre de , Centre de RechercheRecherche
PROBLÈMES DÉTECTÉS
Contour de vitesses et écoulement inversé
Contour de températures et zones froides
Contour de températures et stoechiométrie (PCI) PCI 16,5 MJ/kg PCI 32 MJ/kg
Limites de l’approche précédente
• La combustion est limitée au volume gazeux de la chambre de combustion
• La combustion du lit de combustible de même que la variation de son épaisseur ne sont pas pris en compte
Pour se rapprocher encore de la réalité, on s’est donc tourné vers les modèles globaux intégrants aussi bien la phase gazeuse que la phase solide
CONCLUSION
Au bout de cette étape, on peut relever que :• La compréhension de la combustion des coques de palmiste est
nécessaire pour sa modélisation• Les analyses élémentaire et globale pour les coques de palmiste doivent
être faites en vue d’introduire les valeurs réelles dans le code de calcul• L’étude expérimentale de la pyrolyse de petits échantillons de coques de
palmiste doit être menée afin de déterminer les cinétiques de dé volatilisation et la nature des gaz émis.
• L’étude expérimentale de la combustion d’un lit de coque de palmiste dans un four pilote devra être conduite afin d’analyser des phénomènes à l’échelle du lit et l’obtention de données pour la validation d’un modèle mathématique de combustion du lit de coques de palmiste. Ce modèle sera destiné à être couplé au calcul de l’écoulement et de la thermique de la chambre de combustion.
Bibliographie
[1] Y.WON ,C. SANGMIN, C. EUNG SOO, R. W.DEOG, K. SUNGMAN.2006 “Combustion characteristics in an iron ore sintering bed—evaluation of fuel substitution”. Comb and Flame, n° 145 pp 447-463
[2] O.TZE CHEAN, E.ARIES,B. EWAN, D. THOMPSON, D.R. ANDERSON, R.FISHER, T. FRAY, D.TOGNARELLI.2008 “The study of sunflower seed husks as a fuel in the iron ore sintering process” Minerals Engineering, n°21 pp 167-177
[3] G. TIHON. 2009 « Les combustibles de substitution pour le cubilot » 3 Conférence internationale sur le cubilot.[4]T.ABBAS, P.G. COSTEN, F.C. LOCKWOOD, 1996, “ Solid fuel utilisation: from coal to biomass” Symposium International on
Combustion, Vol 26, Issue 2, Pages 3041-3058
[5] Y.WON ,C. SANGMIN, C. EUNG SOO, R. W.DEOG, K. SUNGMAN.2004 “Modeling of Combustion and heat transfer in an iron
ore sintering bed with consideration of multiple solid phases”. Iron Steel Institute of Japan, Vol 44, n° 3 pp 492-499[6]C.MOKRANE,2009, “ Optimisation de la combustion au sein d’un incinérateur de déchets solides pour réduire les émissions nocives : cas des NO»,magistère en génie mécanique,option énergétique,Faculté des sciencesde l’ingénieur, Université de Batna
Algérie[7] N.SAMIRA, 2006, « Etude numérique de la combustion des gaz dans un four de cimenterie », mémoire de magistère.
[8] B.M. JENKINS, L.L.BAXTER, T.R. MIES Jr, T.R.MILES,1998, “Combustion properties of biomass”, Fuel Processing Technology, Vol 54, pages 17-46
[9]J.WERTHER, M.SAENGER, E.U.HARTGE, T.OGADA, Z.SIAGI, 2000, “ Combustion of agricultural residues”, Progress in Energy and Combustion Sciences, Vol 26, Pages 1-27
• [10] A. DEMIRBAS, 2004, “ Combustion characteristics of different biomass fuel”, Progress in Energy and Combustion Sciences Vol 30, Pages 219-230
• [11] J. WERTHER, M.SAENGER, E.U.HARTGE, T.OGADA, Z.SIAGI, 2001, “ Combustion of coffee husks”, Renewable Energy , Vol 23, Pages 103-121
• [12] O. SENNECA, 2007, “Kinetics of pyrolysis, combustion and gasification of three biomass fuels”, Fuel Processing Technology, Vol 88, Pages 87-97
• [13] P. JANASEK, 2009, “ Aspects of biomass combustion”, Renewable Energy• [14] G.SIMARD , 1992, « La modélisation de la combustion dans un four de calcination de coke de
pétrole » mémoire présenté à l’Université du Québec à Chicoutimi comme exigence partielle de la maîtrise en ingénierie.
• [15] J.B.GUILLOT, « Application de la mécanique des sols aux réacteurs métallurgiques »• [16] C.BRUCH, B.PETERS, T.NUSSBAUMER, (2003), “Modelling wood combustion under fixed bed
conditions”, Fuel, Vol 82, Pages 729-738• [17] S.V.KOMAROV, E.KASAI. 2004 “Simulation of sintering of iron ore bed with variable porosity”• [18] H.THUNMAN, B.O. LECKNER, 1996, “Influence of size and density of fuel on combustion in a packed
bed”, Departement of Energy conversion, Cholmers University of Technology, SE-412 , Göteborg, Sweden• [19] Y. MENARD ;2003 ; « Modélisation de l’incinération sur grille d’ordures ménagères et approche
thermodynamique du comportement des métaux lourds » Thèse de Doctorat, Institut polytechnique de Lorraine
• [20] T. FLOREA « Modélisation de la combustion du bois dans un foyer bois à bûches » , Journée des Doctorants en Combustion et Assemblée Générale du Groupement Français de Combustion Jeudi 7 Décembre 2006
MERCI DE VOTRE AIMABLE ATTENTION