Modélisation mathématique de la formation des NOx et de la volatilisation des métaux lourds lors de l'incinération sur grille d'ordures ménagères, Mathematical modelling of NOx formation and heavy metals volatilisation from MSW incineration on travelling grate

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Institut National Polytechnique de Lorraine Ecole Doctorale EMMA





Modélisation mathématique de la formation des
NO et de la volatilisation des métaux lourds lors x
de l'incinération sur grille d'ordures ménagères



THESE

Présentée et soutenue publiquement le 6 mai 2008
pour l’obtention du grade de

Docteur de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
(Science et Ingénierie des Matériaux)



présentée par

Abhishek ASTHANA
Ingénieur INSA
—————————



Composition du jury :

Gilles FLAMANT Rapporteurs
Frédéric MARIAS
Denis ABLITZER Examinateurs
Pierre ARCHAMBAULT
Thomas KOLB
André KUNEGEL
Fabrice PATISSON Directeur de thèse
Philippe SESSIECQ Co-directeur de thèse


Laboratoire de Science et Génie des Matériaux et de Métallurgie – UMR 7584 CNRS-INPL

2REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier chaleureusement Messieurs Fabrice Patisson et Philippe Sessiecq, pour
l’enthousiasme et la compétence avec lesquels ils ont encadré ce travail en qualité de
directeurs de thèse et pour leur disponibilité.
J’exprime également toute ma gratitude à Monsieur Denis Ablitzer, Professeur à l’Ecole des
Mines de Nancy, pour m’avoir accueilli dans son équipe au LSG2M pendant ces trois années.
Que les autres membres de l’équipe, en particulier Bernard Dussoubs, ingénieur de recherche
au LSG2M, soient aussi remerciés pour leur soutien amical et leur disponibilité.
Cette thèse a été réalisée avec le soutien financier de l’ADEME et du Ministère de
l’enseignement supérieur et de la recherche. Je remercie Monsieur André Kunegel de
l’ADEME pour avoir soutenu mes travaux et accepté de faire partie de mon jury de thèse.
Je tiens à remercier tout particulièrement Messieurs Gilles Flamant, directeur du laboratoire
du CNRS PROMES à Odeillo et Frédéric Marias, Maître de conférences à l’ENSGTI de Pau,
qui m’ont fait l’honneur d’être les rapporteurs de ce travail, ainsi que les collègues d’Odeillo ont fourni des données expérimentales indispensables à l’étude des métaux lourds.
Que Monsieur Pierre Archambault, directeur du LSG2M, reçoive également mes sincères
remerciements pour m’avoir accepté dans son laboratoire et pour sa participation au jury de
thèse. Monsieur le Professeur Thomas Kolb, du Forschungszentrum Karlsruhe, a suivi une
partie de mes travaux et a bien voulu en être examinateur, je l’en remercie vivement.
J’exprime toute ma reconnaissance aux personnes du LSG2M qui m’ont apporté leur soutien
scientifique, technique ou amical pendant ces trois années.
Je remercie profondément mon épouse, Madame Charu Asthana, non seulement pour son
soutien moral mais aussi pour ses compétences informatiques et les conseils innombrables sur
les divers aspects de la présentation et la rédaction de ce mémoire.
Enfin, j’exprime ma gratitude à Monsieur P.V. Krishnan, Professeur à l’Indian Institute of
Technology de Delhi, pour m’avoir incité à poursuivre mes études scientifiques en France et
pour m’avoir donné l’idée et l’envie de préparer un doctorat.

3
4TABLE DES MATIERES
NOMENCLATURE .............................................................................................................7
LISTE DES FIGURES.......................................................................................................11
LISTE DES TABLEAUX...................................................................................................15

INTRODUCTION..............................................................................................................17

1. MODELE DE LIT D’INCINERATION .....................................................................21
1.1. Introduction .............................................................................................................21
1.2. Bibliographie...........................................................................................................21
1.3. Modèle numérique24
1.3.1. Choix d’une représentation et hypothèses du modèle .........................................24
1.3.2. Bilans de matière, d’énergie et de quantité de mouvement .................................26
1.3.3. Autres équations................................................................................................35
1.3.4. Conditions aux limites.......................................................................................37
1.3.5. Prise en compte du brassage de la charge...........................................................38
1.3.6. Prise en compte des métaux lourds et des NO ...................................................40 x
1.4. Résolution numérique..............................................................................................40
1.4.1. Méthode numérique...........................................................................................40
1.4.2. Paramètres numériques......................................................................................40
1.5. Résultats du modèle de lit ........................................................................................41
1.5.1. Définition du cas de base...................................................................................41
1.5.2. Analyse d’ensemble des résultats du calcul........................................................41
1.5.3. Cartes des températures .....................................................................................42
1.5.4. Carte de pression et vecteurs vitesses.................................................................44
1.5.5. Transformations dans le solide et le gaz.............................................................45
1.5.6. Propriétés physiques..........................................................................................52
1.6. Conclusion...............................................................................................................53

2. METAUX LOURDS ....................................................................................................55
2.1. Introduction .............................................................................................................55
2.2. Evolution d’un ML lors du processus d’incinération ................................................56
2.3. Modélisation de la volatilisation des métaux lourds dans le lit d’OM .......................59
2.3.1. Régime de transfert externe ...............................................................................60
2.3.2. Régime de diffusion interne62
2.3.3. Régime chimique...............................................................................................63
2.3.4. Rétrécissement de la particule............................................................................65
2.3.5. Combinaison des expressions dans le cas général...............................................67
2.4. Résultats du modèle métaux lourds..........................................................................67
2.5. Conclusion...............................................................................................................70

53. FORMATION DES NO .............................................................................................73 X
3.1. Introduction .............................................................................................................73
3.2. Etude bibliographique des processus de formation et de destruction des NO ...........74 x
3.2.1. Les mécanismes de formation des NO ..............................................................74 x
3.3. Le sous-modèle NO ................................................................................................90 x
3.3.1. Représentation et hypothèses du modèle.............