UNIVERSIT DE DOUALA Unit de Formation Doctorale Physique

UNIVERSITÉ DE DOUALA Unité 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 ü Disponibilité des noix de palme ü Valorisation de déchets issus de la biomasse ü 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 ü Analyse chimique élémentaire (théorique) • 51% C • 8% H • 32% O • O. 1% N • 3. 9% Eau • 5% Cendre ü 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. 1536 t/h Volume de préchauffage: V = 38. 25 L soit 38. 25 x 10 m Indice de capacité de préchauffage : ICP = 0. 25 m /t Durée maxi de fonctionnement (journalier) : 3 heures Débit de vent : de 130 m /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 du résidu charbonneux

4 -Problèmes détectés

Présentation du four de Krystina

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

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