Sciences et Médecine
J
Contribution à l'étude du traitement thermique des ordures
. ménagères des pays en voie de développement (PoE.D.)
J.TEZANOU1,2, J. KOULIDIATI1,T. ROGAUMP,T.ANDZI BARHE1,2, F.JABOUILLE2,
M.SOUGOTl1, P. KAFANDO' ,A. BERE', B.G.SEGDAl.
1Université de Ouagadougou, UFR-SEA, Laboratoire de Physique-et de Chimie de "Environnement, 03 BP7021 Ouagadougou 03 - BURKINA FASO
2 Université de Poitiers- ENSMA, Laboratoire de Combustion et de Détonique,
Téléport 2 - BP109- Chasseneuil-duPoitou,86960,FUTUROSCOPE CEDEX.
RÉSUMÉ
A la suitedela caractérisation des ordures ménagères de Ouagadougou, nousavonspu quantifier la fraction combustible
de ces déchets, Bien que le taux d'inertes soit important, cequi conduit à un pouvoir calorifique inférieur (Pc/) modeste,
. cettefraction combustibleremplit néanmoins les conditions d' incinérabilité. 1/ nous a donc semblénécessaire de réaliser
uneétudeexpérimentale sur /'incinération decettefraction combustibledans la continuité des études menées antérieure-
ment.Ces études portent pour la plupart d'entreel/es sur la réduction, par des techniaues primaires, des polluants azotés
émis lors de l'incinération des déchets ménagers et industriels. Nous avonsmontré le rôle de l'excès d'air primaire,secon-
daire et total que nous avons optimisé. Nous avons également étudié l'émission des gaz dé combustion et la vitesse de
perte de masse du combustibleen fonction de la température.
.
ABSTRACT
Following the characterizationof the kitchenrefuses from Ouagadougou, we havequantified the combustibleportion of
these refuse. Although the rate of inert issignificant, implying a low inferior calorific power, this combustiblefulfils ail the
requirements for incineration.So it appears for usnecessary to carry out research on the incineration of this combustible
portion, in the continuation of the former research. Most of these research focus, usingprimary techniques, on the reduc-
tion of nitrogenouspollutant emitted through the incineration of the kitchen and industrial waste. We have.shown the
'Oleof the excess primary, secondary and total air that we have optimised. We have also studied the emission of combus-
tion gasand the speed of the combustible according to the temperature.
•
1-INTRODUCriON
rents excès d'air sur l'incinérabilité de ce mélange, son .
comportement en fonction des paramètres de com-
Cette étude s'inscrit dans la suite de celles menées
bustion (température, vitesse de perte de masse) ainsi
[1 J, [2], [3], [4] et dont la finalité est de mieux connaître
que la formation des polluants gazeux (CO et NO)émis
et d'optimiser les mécanismes de formation et de des-
lors de sa combustion.
truction des oxydes d'azote lors de l'incinération des
ordures ménagères.
La première partie traite de l'étude expérimentale
que nous avons réalisée à partir d'un échantillon re-
Il est important de savoir l'influence des débits d'air
présentatif de la fraction combustible de ces ordures
• (primaire, secondaire et total) et leurs influences sur la
ménagères. La deuxième présente les résultats et la
formation des oxydes d'azote. Nous souhaitons opti-
discussion avant la conclusion.
miser les paramètres de combustion.
Il -
APPAREILLAGE, MÉTHODES D'ÉTUDE
Une fois ces paramètres importants optimisés,on
EXPÉRIMENTALE ET EXPÉRIMENTATION
peut, dans' ces conditions, se poser la question de l'in-
EN RÉACTEUR À LIT FIXE
fluence de la cornpositlon du mélange expérimental
Lors de l'incinération des déchets ménagers en four
sur les mécanismes de combustion et sur lesémissions
à grilles, la majorité des oxydes d'azote formés (95%)se .
d'oxydes d'azote et.de monoxyde de carbone. C'est
trouve sous forme de monoxyde d'azote (NO) [5], [6], .
pourquoi, nous avons utilisé un déchet modèle (à base
Trois mécanismes ont été mis en évidence:
de bois, de carton etde plastiques) représentatifde la
.. - le mécanisme du NO thermique,
fraction combustible des ordures ménagères de Oua-
- le mécanisme du NO du combustible,
gadougou. Le but ici est d'étudier l'influence de diffé-
cie mécanisme du NO précoce.
Rev. CAMES - Série A,Vol. 03,2005
7
Sciences et Médecine
Les mécanismes de formationet de destruction ont
été étudiés de même que les techniques de réduction
des NOx [4], [7].
L'appareillage utilisé dans notre étude se compose
de :
- un réacteur à lit fixe et à contre courant
- un dispositif d'alimentation et de mesure du combu-
rant
- un conduit d'évacuation des fumées
- un analyseur de gaz
- un système de piégeage des cendres volantes et d'ex-
traction des fumées'
- un système d'acquisition et de traitement des don-
nées.
Le schéma du dispositif expérimental et les préci-
sions concernant son fonctionnement sont bien dé-
crits dans [3], [4] et [7]. Le réacteur simule le processus-
de combustion d'une tranche verticale de combusti-
ble au sein d'un four à grilles. La figure 1 illustre la
correspondance entre un four industriel à grilles et le
réacteur à lit fixe à contre courant.Le réacteur dont une
Figure 1: correspondance entrefour industrielà grilles et
coupe schématique est présentée sur la figure 2 estun .
réacteur à lit fixe à contre courant
cylindre de 2 mètres de haut et 0,2 m de diamètre in-
térieur.
. _..-
Le système d'acquisition des données comprend:
- 28 capteursde températures"
.
- desdébltrnètres massiques pour les mesures de débit
Air suolld,ire
d'airs primaire et secondaire,
- un analyseur de combustion l'analyse des gaz de
combustion.
C01lWIC)t ,
- l'ensemble des signaux provenant des multiples cap-:
Zone de com bustion
teurs converge vers un micro ordinateur qui permet,
tnti,irt
grâce à des cartes d'acquisition, le stockage régulier
LIÏlII 4. lOChe
des données.
Zont d~ combustion
Ste ondairt
L'analyseur des gaz de combustion de type TESTO-
TERM 350 est équipé de cellules électrochimiques per-
liai1l h. lit
mettant de mesurer en continu les teneurs en CO, NO,
. IOliI.. i,..o5 cm'--....._
N02, S02 et 02 et le calcul du taux de C02 en fonction'
ZOl1t dt e ombustiol1
de celui du dioxygène et du type de combustlble.Ils ,:
est directement relié au micro ordinateur à l'aide d'un '
bus RS 232.
1
D tgnd,tion du
solide
Po t 4 •trl1l'. a.
}·Wl'IÎIIlIÙ.
·········A ir prim ,ire
Figure 2 : coupe schématique du réacteur à lit fixeà contrecourant
8
Rev. CAMES - Série A, Vol. 03,2005
Sciences et Médecine
III - MAT~RIAUX UTILlS~S
du mélange combustible objet de notre étude a été'
déterminée (tableau 2).
3.1. - Le combustible
Tableau 2 : Composition élémentairedu mélange
La composition des ordures ménagères de Oua-
expérimenrol
.
gadougou et leur hétérogénéité ont été déterminés
par la caractérisation. Les expériences d'incinération
Eléments
Mélange expérimental
ont été conduites avec un mélange représentatif de la
C (%)
48,8
fraction combustible des ces déchets. En effet, la'falble
H (%)
5,9
masse de combustible nécessaire à chaque expérien-
0(%)
41,9
ce (1400 g) est une barrière à l'utilisation des déchets
N (%)
0,53
ménagers bruts. Par ailleurs.Ieur hétérogénéité et la
difficulté d'échantillonnage rendent aléatoire l'obten-
5 (%)
0,24
tion d'un déchet reproductible.
3.2. - Protocole expérimental
Les pourcentages de répartition entre les consti-
La première étape consiste en la préparation du
tuants ont été calculés à partir de la composition de
mélange combustible. Le bois et le carton sont préa-
la fraction combustible des déchets ménagers donnée
lablement séchés dans une étuve à une température
par la caractérisation.
de 105°C durant 24 heures, conformément àla norme
NF03-002 relative au séchage des déchets. Cette opé-
Le « déchet modèle» objet de notre étude expéri-
ration permet de simuler la phase de 'séchage ausein
mentale a la composition suivante:
d'Une unité industrielle. Le bois utilisé est du sapin
-54 % de bois,
pur et se présente sous forme de.copeaux, tecarton
. - 24 % de carton,
est broyé pour obtenir de petits parallélépipèdes de
- 19 % de polyéthylène térephtalate (PET),
2x20x20 mm3. Le polyéthylène.térephtalateestdé-
- 3 % de polyamide 6-6 (PA).
coupé sous forme. de parallélépipèdes -qe1 xl Ox1 0
mm3. Le polyamide est sous forme.de.qrénulés.Cette
Pour éviter les problèmes de corrosion dus au
répartition de taille permet deqarantir Un bon mélan- .
chlore, les plastiques retenus pour cette étude (poly-
ge du combustible.
' .
éthylène térephtalate et polyamide) sont exempts de
chlore. Le polyamide a été retenu pour sa forte teneur
IV - R~SULTATS EXP~RIMENTAUX,ET DISC,USSION
en azote, ce qui permet à notre déchet modèle d'avoir
. une composition en azote identique à celle des ordu-
4.1. - Les conditions opératoires
res ménagères [8]. Des échantillons de chaque compo-
sant du mélange combustible ont été analysés pour le
Nous avons en premier lieu réalisé un calcul théori-
dosage des éléments C,H, 0, N,S.Le tableau 1 présente
que des débits comburants permettant l'obtention de
le bilan des compositions massiques de chaque com-
réactions de combustion complètes et définissant une
posant.
combustion à la stœchiométrie. Ce calcul, dont le détail
est présenté [9], montre qu'un débit comburant théori- .
Tableau 1: composition élémentaire des composés du
que moyen de 53 Nm3.h-1 est nécessaire à l'obtention
mélangeexpérimental
d'une combustion complète.
Eléments
Bois
Carton PET
Polyamide
. Pour tenir compte des différents phénomènes phy-
(54%) (24%) (19%) (3%)
,siques qui ont lieu pendant la combustion, nous avons
C
47,6% 39,5% 62%
62,4%'
choisi d'exprimer les résultats en fonction de l'excès
H
6,4 %
5,8 %
4,2 %
9,8 %
d'air de combustion dans chaque zone réactionnelle.
o
Celui-ci est défini par le rapport comburant/combus-
45,3 % 44,3 % 33,2 % 15,7 %
tible et est exprimé par rapport à la stœchiométrie:
N
0,2 %
0,2 %
0,1 %
12 %
un excès d'air de 1 correspond à la stœchiométrie. La
5
0,2 %
0,3 % . 0,3 %
0,1 %
détermination des excès d'air est réalisée pour chaque
condition expérimentale car il dépend de la valeur des
A partir de ces valeurs et en fonction de la propor-
débits comburants etde la vitesse de perte de masse
tion de chaque constituant, la composition massique
mesurée.
'
.Rev. CAMES:- Série'A,Vol; 03, 2005
9
Sciences et Médecine
Le tableau 3 présente l'excès d'air correspondant à
d'étudier l'influence d'une variation d'excès d'air total
chaque condition expérimentale testée. Ql.est le débit
de 1,2 à 2,5,ce qui correspond à une variation d'excès
d'air primaire et engendre un excès d'air primaire el.
d'air primaire de 0,5 à 1,5 et d'excès d'air secondaire
02 est le débit d'air secondaire et engendre un excès
de 0,6 à 1.
d'air secondaire e2.Ot est le débit d'air total qui engen-
dre l'excès d'air total et.
Les résultats présentés dans les paragraphes sui-
vants sont des valeurs moyennes des résultats obtenus
Les conditions expérimentales testées ont permis
pour chaque condition expérimentale.
01 (Nm3.h-l)
35
40
40
45
45
55
55
60 .
60
65
65
70
70
02(Nm3.h-l )
45
35
45
35
45
35
45
35
45
35
45
35
45
Ot(Nm3.h-l )
80
75
85
80
90
90
100
95
105
100
110
105
115
el
0,5
0,7
0,7
0,8
0,8
1
1
1,2
1,2
1,3
1,3
1,5
1,5
e
0,7
0,6
0,7
0,6
0,8
0,7
0,8
0,7
0,9
0,7
0,8
0,7
1
2
et
1,2
1,3
1,4
1,4
1,6
1,7
1,8
1,9
2,1
2
2,1
2,2
2,5
Tableau 3: excès d'air correspondant à chaquecondition expérimentale
4.2;- Les régimes de combustion
la température diffère selon que l'excès d'air est infé-
La figure 3 présente l'évolution de la température
rieur ou supérieur à 1.Une évolution de toutes les tem-
. au sein de la zoneprimalre de combustion durant l'ex-
pératures en zone primaire (mesurées à l'aide des 14
périence. Dans cette zone (caractérisée par la dégrada-
thermocouples implantés dans cette zone)est étudiée
tion du solide et la libération des espèces volatiles dont
[9]. Pour des raisons de clarté et de simplification, seul
va dépendre la suite de la combustion), l'évolution de
le profil de l'un des thermocouples est représenté ici.
11 00 ------------.--------------.----.--- ------------- - -- ------.-'----.~.- - - - - - -
HJOO +--------------------,----,-----,----,-----,------{
;h
û)
/'1------.....'-----------_·_----------",/ . l '--
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250
300
350
400
450
500'
550
. 600
Temps (s)
(b):e1>1
Figure 3 : évolution des températures primaires de combustionpendant uneexpérience pour un excès d'air primaire infé-
rieurà 1(a)et supérieur à 1(b)
Quel que soitle cas de figure considéré, l'évolution
~ si l'excè'sd'air primaire est inférieur à 1: figur~ 3-a,
des températures peut être divisé en 5 zones:
zone 2, une forte croissance de la température est
observée. Elle correspond au passage du front d'in-
• Zone 1 : la température reste constante et proche
flarnrnation. Le changement de pente au-delà de
de 20°(, correspondant à la température d'injection
l'étape de pyrolyse traduit une vitesse de montée en'
de l'air primaire. Le front d'inflammation est distant du
température plus falble.ll s'agit de la troisième étape
thermocouple et le transfert de chaleur au sein du lit
(zone 3). Le ralentissement de la vitesse de montée
solide est très faible. Des travaux précédents [10] mon-
en température est dépendante du débit primaire
trent que les échanges thermiques au sein du réacteur
qui engendre lui-même un excès d'air primaire infé-
à lit fixe à contre courant se font principalement par
rieur à 1. Là concentration enoxyqène au sein de la
rayonnement de la zone de combustion des produits
zone primaire de combustionest alorsfaible,
volatils en mélange avec le comburant vers le lit solide.
~ si l'excès d'air est supérieur ou égal à 1 : figure 3-b,
Dans le cas de figure de la zone 1, le rayonnement est
la montée en température présente la même pente
stoppé par le « lit solide» de combustible qui se trou-
durant to~te la deuxième étape. Il n'y a pas de rup-
ve au-dessus du thermocouple. D'autre part, on peut
ture de pente, ce qui traduit une forte vitesse de dé-
noter que les échanges thermiques par conduction et
. gradation et de dévolatilisation du solide, réduisant
convection de la zone de dégradation vers le lit solide
du même coup l'épaisseur de la couche de solide.
, sont compensés par la convection forcée liée à l'injec-
La température atteint alors un maximum avant de
tion de l'airprimaire.
décroltre légèrement (zone 3). Cette évolution est
caractéristique du développement d'une première
• Zone 2 et 3 : le combustible s'échauffe et la dé-
flamme en surface du lit solide engendrée par la
gradation thermique de chacun des composants du .
combustion des produits de pyrolyse en mélange
mélange combustible commence. Des travaux [7], [9]
avec l'air primaire. La combustion ici est caractérisée
montrent que cette étape de dégradation correspond
par une teneur en matière volatile élevée et est con-
à la pyrolyse des matériaux qui commence aux envi-
trôlée par la vitesse de transport de l'oxygène. Elle
rons de 4000 ( et qui présente des profils de tempéra-
dépend fortement de la turbulence [7, [9].
ture caractéristiques d'une dégradation sans réaction
• Zone 4 :Ia température décroît très légèrement
oxydante. Au delà de 400°(, l'évolution de la tempéra-
et se stabilise aux alentours de 9500 ( -111OO( (figures 3
ture dépend de l'excès d'air:
a et b). On se situe ici dans la zone de combustion des
Rev. CAMES - Série A, Vol. 03, 2005
11
. Sciences et Médecine
espèces volatiles issues de la première flamme avec
rapide. La combustion en zone primaire se fait en ex-
l'oxygène amenée par J'air primaire. La concentration
cèsd'oxygène et est contrôlée par la cinétique. Enfin,
en espècesoxydantes est légèrement inférieure à cell~
il apparaît que l'oxydation du résidu charbonneux en
présente au niveau de la première flamme. La combus-
fin de combustion est quasi inexistante. Lacombustion
tion qui se produit ici est caractérisée par une forte tur-
hétérogène semble négligeable lors du processus de
bulence. La vitesse de transport de l'oxygène ,en zone
combustion.
réactive est très importante et la cinétique chimique
est le facteur limitant [7], [9r
4.3. - Evolution des températures de combustion
• Zone 5 : dans un dernier temps, on observe une
forte décroissance des températures. la combustion
L'optimisation des paramètres de combustion en
est terminée. Cette baisse intervient rapidement et
vue de la réduction des polluants gazeux ne doit pas
s'opère au même instant en tout point du réacteur à
affecter les capacités thermiques du four. L'irfluence
lit fixe [9]. On n'observe pas dé combustion du résidu
des débits comburants sur l'évolution des températu-
charbonneux. En effet, la présence d'une combustion
res en zones primaire et secondaire de combustion a.
hétéroqène devrait générer des températures élevées
été mesurée.
pour lesderniers thermocouples proches de la grille si-
tuée au fond duréacteur,ce qui n'est pas le cas.
t:
Evolution de la température moyenne enzone
primaire de combustion
. le profil' dès températures au sein de la zone pri-
la zone primaire de combustion est la zone au sein
maire dècornbustion fait apparaître deux régimes de
de laquelle prennent place la dégradation du combus-
combustion selon que l'excès d'air est inférieur ou su-
tible et la combustiondes espèces volatiles issues de
périeur à 1.Cette différence d'évolution des tempéra"
cette dégradation en mélange avec l'air primaire. la
tures traduit une 'modification des régimes de dégra-
détermination de la température moyenne de cette
dation des solides et donc des espèces volatiles qui
zone est réalisée à partir de la valeur moyenne de la
en découlent. Lorsque l'excès d'air est inférieur à 1, la
température enregistrée par chaque thermocouple en
combustion se déroule en manque d'oxyqène et est
zone établie de combustion (cf. zone 4, figure 3). La fi-
con'Üôléepârlavltèsse de transport du comburant au
gure 4 présente l'évolution de la température primaire
sein'des zorles réàcti~es.A l'inverse lorsque l'excès d'air
de combustion en fonction de l'excès d'air total. Les
ést supérieur. a 1, la vitesse de dévolatilisation du so-
résultats sont présentés pour différents excès d'air pri-
.llde. puiséle~6n1b~stion desespèces libérées est très
maire (el).
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1200
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2,1
2,3
2,5
2,7
&è&d"uirmml
Figure 4: évolution de la température enzoneprimaire de combustion
12
Rev. CAMES - Sérié A, Vol. 03,2005
Scientes et Médecine
Ce graphe peut être divisé en deux parties selon
dants permettent un apport en dioxygène au sein
que l'excès d'air primaireést inférieur ou supérieur à
du milieu réactif, favorisant les réactions d'oxyda-
1,ce qui se traduit par un excès d'air total inférieur ou
tion. Ces réactions étant fortement exothermiques,
supérieur à 1,7 pour nos conditions expérimentales. Ce
la température du milieu réactionnel augmente. Au
profil de température est assez proche de celui déjà
delà d'un excès d'air total de 2,1 la concentration en
obtenu [7]:
dioxygène est suffisante pour que toutes les réac-
*
tions d'oxydation des produits de dégradation aient
Excès d'air primaire inférieur ilJ (et<J,l]: la tem-
'lieu. De plus, à débit primaire constant, une augmen-
pérature au sein de la zone primaire de combustion
tation de l'excès d'air secondaire ne modifie pas la.
est relativement faible et fortement dépendante de
température primaire de combustion.
l'excèsd'air total. Cette température croit nettement
avec l'excès d'air primaire. Dans ces conditions exp~­
li -
Evolution dela température moyenne enzone
rimentales, les débits primaires sont tels que la com-
secondaire decombustion
. bustion sefait en défaut d'oxygène. Elleest contrôlée
L'évolution de la température en zone secondaire
.par la vitesse de diffusionde l'oxygène ausein de la
de combustion est caractéristique de la combustion
zone réactive. On observe d'autre part que pour un '
des produits issus de la première zone en mélange
débit d'air primaire constant, une hausse du débit
avec l'air secondaire. La figure 5 représente cette évo-
d'air secondaire (qui engendre un excès d'air' secon-
lution en fonction de l'excès d'air total erce pour diffé~
daire) provoque une très légère baisse de la tempé-
rents excès d'air primaire.
rature de combustion en zone primaire. L'injection
de l'air secondaire permet un apport en oxygène en
Pour un excès d'air total inférieur à 1,7 la tempéra-
. zone secondaire de combustion, ce qui provoque un
. ture est très dépendante des débits comburants (pri-
déplacement de la combustion par convection des
maire ou secondaire), Eneffet une haussede débit d'air
produits de dégradation du solide vers la zone se-
augmente l'apport en dioxygène qui est en faible con- .
, condaireoù les températures sont plus élevées.
centration dans cette zone, Cette hausse favorise l'oxy-
*
. dation des produits de combustion et donc l'élévation'
Excèsd'airprimaire supérieur ou ~GI.t J (et> J,l]:
de la température,
.
la température de combustion au sein de la zone
primaire croit encore et se stabilise aux alentours de
Pour un excès d'air total supérieur à 1,7 la tempé- .
950-1050°C. Les températures les plus élevées sont
rature de combustion se stabilise aux alentours de
obtenues pour un excès d'air total proche de 2. No-
1000°c. L'influence de l'excès d'airprimaire sur la tem-
tons que dans ce cas de figure, on se rapproche des
pérature secondaire est négligeable; 'Cette tempéra- .
conditions de fonctionnement des unités industriel-
ture en zone secondaire de combustion ne' dépend
les d'incinération. Les débits primairescorrespon-
principalement que de l'excès d'air secondaire.
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daire decombustion
&èld'Ü'iotal
Rev. CAMES - Série A, Vol. 03,2005
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Sciences et Médecine
4.4.- Evolution de la vitesse de perte de masse
Iièrement du débit d'air primaire. La figure 6 présente
Les précédents travaux effectués au laboratoire sur
l'évolution de la vitesse de perte de masse en fonction
l'incinération des ordures ménagères [5], [7], [11] ont
du débit d'air primaire, pour deux débits d'air secon-
montré que la vitesse de perte de masse est fortement
daire différents.
dépendante des débits d'air comburants et particu-
". '.. >
4,50
4,00
-.---- ---'==-~--------
4""350
, Il
'
JI ' .
~'::~_.._..
.1 3,00.
... ~
.
Il
• '
Il.2,50
..
-:
fIl 2,00
Iilo
Il
"'150
,
l, r
•Q2=38Naft
' - - -
>.1,00
• Q2--45N.M.'
'0,50
.
,
. ~.
Figure 6 : évolution de la
0,00
vitesse de perte de masse
10
12
14
115
18
20,
22 '
24
26
en fonction du débit d'air
nlIitprilnaiJe(gsl)
primaire
, .N<;>ùsrehciuvonsidles tendances dégagées par [7]. ,
Le rayonnement constant de la zone secondaire de
La.yit~sse·de perte demasse varie linéairement et dé
combustion vers le lit solide est dû à la stabilité des
fàçdndécmissanteen fonction du débit d'air primaire.
températuresau sein de cette zone quel que soit le ré-
L'excèscl'air secondai'rea peud'lnfluence sur cette vi-
glage du débit d'air secondaire. Cela entraîne une très
tesse.
faible influence de l'excès d'air secondaire sur la vitesse
de perte de masse.
La vitesse de perte de masse est directement liée à
la vitesse de dévolatilisation du lit solide. Cette vitesse
Le débit primaire 'contrôle donc la vitesse de perte
de dévolatilisation dépend de plusieurs paramètres,
de masse et la quantité d'oxygène amenée en zone
notamment de la température du milieu réactif et des
primaire de combustion:
échanges thermiques. Certains travaux [10) ont mon-
tré que les échanges thermiques de la zone gazeuse
4.5. - Impact de la composition du mélange
de combustion vers le solide se font majoritairement
expérimental sur les émissions gazeuse
par rayonnement. Ils sont compensés par la convec-
Les essais réalisés lors de cette étude ont pour but
tion forcée engendrée par l'injection d'air primaire. Le
de déterminer les conditions expérimentales permet-
caractèreexothermique d'une combustion plus inten-
tant une bonne combustion du mélange tout en rédui-
se liée à une hausse de la concentration en oxygène
sant la pollution gazeuse par les oxydes d'azote et le
(donc des débits comburants) est donc compensé par
, monoxyde de carbone -.Le paramètre déterminant est
le refroidissement créé par l'élévation de la vitesse de
le débit d'air injecté, que ce soit en primaire ou en se-
passage du comburant au sein du lit combustible. Il y
condaire.
a alors réduction de la vitesse de perte de masse en
fonction de l'élévation de l'excès d'air primaire.
14
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Sciences et Médecine
Pour analyser l'influence des débits comburants
peut subir desvariations dues notamment à ladilution .
.testés sur lespolluants gazeuxémis lorsde la combus-
Poureffectuer ce calcul,il est nécessaire de connaîtreà
tion, nous exprimons les émissions d'oxyde d'azote et
chaque instant de la combustion le débit de fuméeset
de monoxyde de carbone en milligramme de polluant
la masse de combustible décomposée.
émis par qrarnrne de combustible brûlé. Cette unité
.permet d'exprimer avec précision la masse de polluant
Les conditions opératoires sont décrites dans [9].
formée en relation avec la masse de combustible con-
Seul le combustible change de nature. C'est pourquoi
sommée et non en fonction du volume de fumée qui
nous ne présenterons ici que les résultats
. 4.6, - Evolution de la teneur des gaz de combustion
i - Evolution dela teneur endioxygène
1 2 . . . , - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ,
.,.
.
;:::"10 +-----'---------~------____..,~~------l
tl
. . ~
!a~~----____:::;..=-----~;:::::===;__1
1..
• el=O,5
~
-el=O,7 ~ •
;
6 + - - - - - - - = - . r : : : . . . . - - - - - - - - - - - - ' - - - - - ! .. el~,8
..
•
:t el=l
Il:
-! 4
• el=l,2
.. S
.. el=l,3
. ~. 2
-el=l,5.
f.l
\\
O-l------r------.---.........,---,-----.-----r--:---.-------i
1,1
1,3
1,7
1,9
2,1
E.st'ÛI'1oial
Figure 7: évolutiondela teneurendioxygène résiduel
La figure 7 présente l'évolution de la concentration en dioxygène résiduel dans lesfumées en fonction de l'excès
d'air total. Les résultats sont exprimés pour différents excès d'air primaires (el J. On observe qu'une élévation de
l'excès d'air total entraîne une hausse de la teneur en dioxygène. Pour un excès d'air primaire constant,la teneur en
dioxygène augmente avec le débit d'air secondaire. De même,une augmentation de l'excès d'air primaire entraîne
une augmentation de la teneur du dioxygène.
.
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15
Sciences et Médecine
ii - évolution des émissions demonoxyded'azote (NO)
Les résultats sont exprimés
pour différents excès d'air pri-
maire (e1}.Lesémissions de NO
3,5
varient entre 2,1 et 3,1 mg.g-1
(figure 8). Elles sont une fonc-
3,0
tion croissante de l'excès d'air
i.>:':
total.
'Ç2,5
'UI
L'évolution des' émissions
!.
~
<
E
.6
.r.
• el =D, 5
, de NO est liée au rendement
~ 2,0
~
a el=D,7
du mécanisme du' «NO du
.:;
.. eJ=D, 8
combustible». Celui-ci montre
la 15
:1 '
~
que la formation de cette es-
% el=l
pèce croît avec la concentra-
Iii
• el=!,2
w 1,0
~
tion en dioxygène du milieu
f
el=!,3
réactif et avec la température
-el=1.5
0,5
[12].
0,0
1,1
1,3
1,5
1,7
L,9
2,1
2,3
2,5
2,7
Ems d'air 1Dtal
Figure 8: évolutiondes émissions de NO
iii - évolution des émis-
- - - - - - - - - - , - - - - - - - - - - - - - ' - ' - '- - ' - - - - , - - - - -
sions demonoxyde decar-
16
, bone(CO)
• el=0,5
La figure 9 présente
14
..
III e1 =0,7 -
l'evolution
des
émis-
sions de CO en fonction
~ 12
•
... e1 =0,8 -
'Je
I:!'
el =1
de
l'excès d'air total
Dl
·e1=1,2
!.10
1-
pour
différents
excès
D
a
+e1=1,3
d'air primaire (el). Cette
u
-e1-1,5 1-
figure permet d'identi-
.g 8
fier deux zones : l'une
~
pour un excès d'air total
a
6
III
inférieur à 1,7 et l'autre
.!!!
~ 4
-..
pour un excès d'air total
.-
+
supérieur à 1,7.
,
'Je
2
A
"
..
o
.
1
1,1
1,3
1,5
1,7
1
1,9
2,1
2,3
2,5
2,7
Figure 9: évolution des
Excès d'ilir totlll
émissions de CO
v -DISCUSSION
re ; il est en est de même pour la zone secondaire de
Le suivi de l'évolution des températures au sein du
combustion et du débit d'air secondaire;
réacteur à lit fixe à contre courant a permis, pour les
- le suivi de ces températures en fonction de l'excès
conditions expérimentales étudiées, de mettre en évi-
d'air total permet d'identifier deux zones selon que
dence les points suivants:
cet excès d'air total est inférieur ou supérieur à 1,7 va-
- la température en zone primaire de combustion n'est
leur limite correspondant au changement de régime
influencée que par la variation du débit d'air primai-
de combustion. Toutefois, pour nos conditions opéra-
16
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Sciences et Médecine
toires, une distinction de ces deux zones n'est réelle-
celle obtenue par la bibliographie [7]. Nous attribuons
ment observée qu'en zone primaire de combustion
cette différence à un changement de porosité au sein
(figure 4) ;
du lit solide induit par la différence entre les deux mé-
- pour un excès d'air total inférieur à 1,71a combustion
langes. Néanmoins, la vitesse de perte de masse varie
en zone primaire se fait en défaut d'oxygène, les tem-
linéairement et de façon décroissante en fonction de
pératures sont faibles, la combustion des produits
l'excès d'air primaire dans les deux cas; l'excès d'air
issus de la dégradation du solide se déplace vers la
secondaire a peu d'influence sur cette vitesse. Cette
zone de combustion secondaire où l'injection d'air
vitesse de dégradation plus grande dans notre cas
secondaire favorise leur oxydation. Les températures
aboutit au fait que la concentration en dioxygène ré-
de combustion dépendent alors de ia concentration
siduel est moins forte pour les faibles excès d'air. En
. en dioxygène et de sesconditions de transport;
effet, à débit égal, une vitesse de dégradation plus
- il apparaît nécessairede maintenir un excèsd'air total
forte entraîne la formation de plus d'espèces volatiles
supérieur à 1,7 pour obtenir une combustion stable.
dont l'oxydation en zone primaire consomme plus de
En effet dans ce cas, les débits comburants suffisent
dioxygène. Toutefois, les concentrations en dioxygène
à assurer un excès d'air dans l'ensemble du four et
pour les deux mélanges croissent avec l'augmentation
donc des températures suffisamment élevées pour
de l'excès d'air total. Pour les forts excès d'air total les
.assurer la stabilité de la combustion.
-
teneurs en dioxygène résiduel sont identiques pour les
deux mélanges.
Nous avons effectué des essais de combustion avec
un déchet modèle représentatif de la fraction combus-
Les émissions de monoxyde d'azote sont pour les
tible des ordures ménagères de Ouagadougou. Lebut
deux mélanges une fonction croissante et pratique-
de cette étude étant d'étudier le comportement de ce
ment linéaire del'excès d'air totaLComme ces.érnls-
mélange en fonction des paramètres de combustion
sions sont fortement dépendantes de la concentration
(température, vitesse de perte de masse) ainsi que l'in-
en dioxygène local [12], elles sont dans notre étude
fluence des débits comburants sur la formation du mo-
légèrement inférieures à faible excès d'air. Cette étude
noxyde d'azote et du monoxyde de carbone formés
ne permet pas de déceler l'influence de l'excès d'air
lors de la combustion.
primaire et de l'excès d'air secondaire séparément.
L'évolution du taux de NO ne dépend que de l'excès
Les températures au sein des différentes zones de
d'air total.
combustion dépendent fortement de la concentration
et du transport de l'oxygène en zone réactive. L'évo-
Les émissions de CO les plus faibles sont obtenues
lution des températures est différente selon que l'ex-
pour un excès d'air primaire de 1 et un excèsd'air total
cès d'air primaire est inférieur ou supérieur à 1; pour
de 1,7.En dessous de cette zone, la combustion est dif-
notre étude ce seuil correspond à un excès d'air total
ficilement contrôlable. Au delà d'un excès d'air de 1,7,
de 1,7.Cette valeur correspond à unchanqement de
la vitesse de la réaction d'oxydation du COest ralentie
régime de combustion. Dans le cas d'excès d'airpri-
à la fois parla stabilité des températures, le faible temps
maire inférieur à 1, la combustion en zone primaire a
de séjour des fumées dans la zone de combustion et la
lieu en défaut d'oxygène, les produits de dégradation
concentration du milieu réactionnel en NO.
du lit solide ont tendance à se déplacer vers la zone se-
condaire de combustion où ils sont oxydés au contact
CONCLUSION
de l'air secondaire injecté. La combustion en zone pri-
Malgré ses caractéristiques, les ordures ménagères
maire est très influencée par la vitesse de transport du
de Ouagadougou sont incinérables comme le montre
dioxygène, tandis que dans la zone secondaire,elle est
nos travaux antérieurs [1]. Il Y a été montré que si on
contrôlée par la cinétique chimique. Cette évolution
sépare les « fines» du reste des déchets, les ordures
des températures a également été observée [7] pour
ménagères de Ouagadougou sont bien situées dans
qui le seuil de changement de régime de combustion
la zone d'incinérabilité des déchets, et que cette zone
s'effectue également pour un excès d'air primaire su-
est assezproche de celle des ordures ménagères d'Eu-
. périeur à 1. La composition du mélange expérimental.
rope.
ne semble pas avoir d'influence sur l'évolution des
températures.
Toutefois, l'incinération de ces ordures ménagères
seules n'est pas viable sur le plan industriel. En effet,
Nous avons observé pour nos conditions expéri-
les usines d'incinération coûtent chères. De plus; l'in-
mentales une vitesse de perte de masse supérieure à
cinération des déchets est de plus en plus couplée
Rev. CAMES - Série A, Vol. 03,2005
17
Sdenceset Médecine
avec une valorisation énergétique. Cette valorisation
4- KOULIDIATI J., ROAGAUME T , TEZABNOU J., KA-
énergétique est d'autant plus bénéfique que le com-
FANDO P., SOUGOTI M., SEGDA B.G., ROAGAUME
bustible de départ a un fort pouvoir calorifique. Dans
Y.,JABOUILLE F., T., GOUDEAU J.C.,JOUlAIN P.
le cas de Ouagadougou, on peut envisager une com-
«Caractérisation et incidence des oxydes d'azote:
bustion d'un mélange ordures ménagères + déchets
des impacts à la réduction»
Annales de l'Université de Lomé (soumis) 2003
industtiels ou ordures ménagères + déchets d'activi-
tes de soin. Cette solution aurait le double avantage
s- ABBAS T.~ COSTEN P., lOCKWOOD F.C. «A review
d'augmenter considérablement le pouvoir calorifique
of current NOx control methodologiesof municipal
et une valorisation énergétique serait alors envisagea-
solid waste combustion process,»
ble. Par ailleurs, les risques de contamination dus aux
4th European conference on industrial furnaces an
déchets d'activités de soins mélangés aux déchets r:né-
boilers, London, 1997.
nagers dans les dépôts sauvages et dans les décharges
6- ZHOU X. Contribution à l'étude de l'incinération
. actuelles seraient également réduits. Le mode de trai-
des déchets urbains expérimentation en réacteur
tement permettrait également de réduire la quantité
à lit fixe et à contre courant, approche théorique
de déchets à stocker dans le nouveau centre d'enfouis-
du déplacement du front d'inflammation.Thèse de
sement technique.
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18
Rev. CAMIES - Série A, Vol. 03,2005