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Thèse Année : 2003

Mathematical modelling of municipal solid waste incineration and thermodynamic study of the behaviour of heavy metals

Modélisation de l'incinération sur grille d'ordures ménagères et approche thermodynamique du comportement des métaux lourds

Résumé

The present dissertation describes experimental and theoretical investigations undertaken for the mathematical modelling of municipal solid waste (MSW) incineration in a grate furnace and the thermodynamic study of the speciation of heavy metals (HM), originally contained into MSW, during combustion. Thermogravimetric and gaseous analysis (mass spectrometry and gas chromatography) experiments were performed on MSW samples to get pyrolysis kinetics and to quantify the gaseous species that evolve during the primary reactions of devolatilisation. Other experiments were carried out in a fixed bed pilote scale reactor: the combustion of two types of solids (wood chips and MSW) was studied, and the influence of operating conditions (flow rate, staging and temperature of the primary air) as well as fuel characteristics (moisture content, inert material fraction, lower calorific value) was investigated. A mathematical model was developed for simulating the combustion of a solid fuel, either in a fixed bed reactor or on the grate of an incineration plant. It has been validated by comparison of the calculated results and the experiments carried out on the pilot. Thanks to this model, we have been able to localize the different processes taking place in the fuel bed and to evaluate the influence of the operating conditions on the combustion efficiency. Numerical simulations of the gas flow and combustion in the post-combustion chamber and the heater of an incineration plant were performed using the CFD code FLUENT. The local thermal conditions as well as local gaseous species concentrations obtained from these simulations were eventually used to carry out thermodynamic calculations of the speciation of HM during incineration.
Ce travail à la fois expérimental et théorique est consacré à la modélisation mathématique de l'incinération des ordures ménagères (OM) dans un four à grille et à l'étude thermodynamique de la spéciation des métaux lourds (ML), initialement contenus dans les déchets, pendant la combustion. Des expériences de thermogravimétrie couplées à des analyses gazeuses par spectrométrie de masse et chromatographie en phase gazeuse ont été réalisées sur des échantillons d'OM reconstituées. Elles ont permis de déterminer les cinétiques de pyrolyse de ces échantillons et de quantifier les gaz émis au cours des réactions primaires de dévolatilisation. Des expériences de combustion en réacteur pilote à lit fixe, portant sur deux types de combustibles (copeaux de bois et OM reconstituées), ont été mises en œuvre. L'influence des conditions opératoires (débit, répartition et température de l'air primaire) et des caractéristiques de la charge (humidité, teneur en cendres, PCI) a été étudiée. Un modèle mathématique a ensuite été développé, qui simule aussi bien la combustion d'une charge solide dans ce réacteur à lit fixe que celle d'un lit d'OM circulant sur la grille d'un incinérateur. Ce modèle a été validé par comparaison des résultats calculés et des mesures expérimentales sur pilote. Il permet de localiser les différentes zones de transformation de la charge et d'évaluer l'influence des conditions opératoires sur l'efficacité de la combustion. La simulation numérique de l'écoulement réactif des gaz dans la chambre de post-combustion et la chaudière d'une UIOM a été réalisée à l'aide du code de mécanique des fluides numérique FLUENT. L'ensemble de ces simulations numériques nous a donné accès aux conditions locales de températures et de concentrations gazeuses en tout point de l'incinérateur (lit d'OM + chambre de post-combustion + chaudière) à partir desquelles nous avons pu étudier la spéciation des ML à l'équilibre thermodynamique.
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  • HAL Id : tel-00298415 , version 1

Citer

Y. Menard. Modélisation de l'incinération sur grille d'ordures ménagères et approche thermodynamique du comportement des métaux lourds. Sciences de l'ingénieur [physics]. Institut National Polytechnique de Lorraine - INPL, 2003. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00298415⟩
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