Combustion de combustibles solides et modélisation des foyers industriels

L’utilisation de combustibles solides dans les installations industrielles est très répandue pour la production d’électricité et de chaleur (charbon, biomasse, incinération de déchets). La combustion au sein de ces foyers est toutefois source d’émissions polluantes gazeuses et particulaires qui ont un impact non négligeable sur la santé, l’environnement mais également sur la longévité des installations de production d’énergie. La modélisation des processus de combustion est de fait essentielle afin de mieux appréhender les phénomènes d’oxydation des combustibles au sein des chambres de combustion et ainsi optimiser le fonctionnement général des installations de production d’énergie. En outre, la connaissance des mécanismes de formation des polluants permet de dégager des pistes d’avancées technologiques qui sont nécessaires afin de réduire ces émissions et donc à terme de diminuer l’impact environnemental de certaines installations. Les recherches menées au sein de cette thématique se divisent en deux axes parfaitement complémentaires que sont l’amélioration des connaissances relatives aux processus physico-chimiques de combustion et l’utilisation des données cinétiques ainsi obtenues au sein des modèles numériques permettant le dimensionnement et l’optimisation des installations industrielles.

Etude des processus physico-chimiques d’oxydation des combustibles solides

Suite à la création d’un laboratoire expérimental au DEI en 2009, des travaux ont été menés tout au long de l’année 2010 afin de mettre au point un banc d’essai permettant d’étudier la combustion de mélanges charbon/biomasse pulvérisés dans des conditions proches de celles rencontrées industriellement (température de combustion et vitesse de chauffe des combustibles). L’optimisation du dispositif permettant la fluidisation et l’ensemencement des combustibles solides au sein d’un brûleur à flamme plate a été réalisée notamment par modélisation numérique dans le cadre du Master Recherche de Gilbert Branchet (UTC) qui a été soutenu en septembre 2010. L’adaptation de ce dispositif à l’étude de modes de combustion novateurs (combustion sous air enrichi en oxygène ou en oxycombustion) a également été initiée dans le cadre de la thèse de Cyril Bruhier qui a débuté en novembre 2010. Cette thèse co-encadrée par le PC2A fait l’objet d’un cofinancement de la part de la Région Nord Pas-de-Calais. Ces activités de recherche qui s’intègrent à un projet de l’Institut de Recherches en ENvironnement Industriel relatif à la réduction des émissions de gaz à effet de serre (Projet IRENI : Qualité de l’air – Remédiation (2007-2013)) ont également obtenu au cours de l’année 2010 le soutien du Programme Interdisciplinaire Energie du CNRS via le financement du projet OxyChar relatif à l’étude des cinétiques d’oxydation du charbon dans des conditions d’oxycombustion.  

Schéma de l’installation expérimentale en cours de développement au DEI pour l’étude locale des cinétiques de combustion du charbon et du bois

Modélisation des installations industrielles de combustion

Ces actions sont soutenues notamment par des fabricants et des exploitants d’installations industrielles, dans le cadre de thèses cofinancées et de stages post doctoraux. Plusieurs types d’installations sont étudiés et modélisés, en vue de comprendre et d’améliorer les performances particulièrement au niveau des émissions de polluants atmosphériques :

• Des installations à combustibles pulvérisés : co-combustion charbon et biomasse sur un four pilote de 4 MWt (thèse de T. Le Bris soutenue en 2010) et combustion du charbon en centrale thermique de 600 MWe.
• Des foyers utilisant de la biomasse broyée : d’une part, un foyer à grille mobile de 400 kW (thèse de T. Florea soutenue en 2010) en partenariat avec VEOLIA Environnement (Centre de Recherche et Innovation VERI) / Dalkia et d’autre part, des foyers de type spreader-stoker de 25 MW, en partenariat avec Leroux et Lotz Technologies, fabricant d’installations.

En 2010, des travaux de thèse (F. Le Gléau) dirigés par le PC2A et co-encadrés avec le Département Chimie Environnement ont été poursuivis sur le thème du traitement des fumées issues d’installations de combustion, sur l’abattement simultané des NOx et SOx dans les filtres à manche.

Vecteurs vitesse (m/s) et contours de températures (K) dans un spreader-stoker biomasse de 25 MW