Vaporisation des métaux lourds pendant l’incinération des déchets ménagers : cinétiques et processus de transfert

Heavy metal vaporisation during municipal waste incineration : kinetics and transfer

• Auteur / Autrice : Quentin Falcoz
• Direction : Gilles Flamant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Évaporation

Métaux lourds

Incinération -- Déchets -- Élimination

Résumé

L’objectif de cette étude est de déterminer les cinétiques de vaporisation de trois métaux (cadmium, plomb et zinc) à partir de déchets modèles proches des déchets réels. La méthodologie adoptée est basée sur une méthode inverse d’identification des cinétiques de vaporisation, c’est-à-dire en interprétant un signal de sortie (concentration en ML) grâce à un modèle décrivant l’évolution du système. Une méthode originale d’analyse en ligne des métaux lourds en phase gaz a été mise en œuvre. Un protocole de mesure adapté à nos moyens expérimentaux est déterminé à partir d’une étude approfondie de la problématique de l’analyse et de l’étalonnage par spectrométrie ICP. La méthode proposée est ensuite validée par une expérience spécifique. Les différents essais, réalisés à vitesse de chauffe rapide (lit fluidisé) et lente (réacteur à lit fixe), montrent l’influence de la température, de la teneur initiale en métal, de la nature de la matrice, de l’atmosphère de combustion ou encore des phénomènes de diffusion interne sur la dynamique de vaporisation des métaux lourds. Les cinétiques de vaporisation des trois métaux étudiés sont déterminées à partir des résultats de l’analyse en ligne. Les lois cinétiques théoriques sont obtenues par identification mathématique et sont validées par confrontation avec les cinétiques expérimentales. Un modèle local de la vaporisation des métaux lourds lors de la combustion d’une particule d’ordure ménagère a été développé. L’ensemble des processus de transfert de chaleur et de masse intervenant lors de la combustion est pris en compte. Une étude paramétrique (température, géométrie de la particule, transfert de l’oxygène…) démontre que le modèle décrit correctement les phénomènes physiques mis en jeu. L’exploitation des simulations met en évidence l’influence de la température sur le régime de contrôle de la vitesse globale de vaporisation des métaux.

The main objective of this study is to determinate the vaporisation kinetics of three heavy metal (cadmium, lead and zinc) from realistic artificial wastes (derived from real wastes). A global method was used to identify the kinetics of vaporisation of heavy metals from the on-line analysis of exhaust gas. A method was developed for on-line analysis of vaporised metal in any exhaust gas by coupling an ICP (Inductively Coupled Plasma) spectrometer to the gas outlet of a laboratory fluidised bed reactor. A calibration device was set up and implemented and a standard gas synthesis protocol was developed to obtain quantitative data. The experimental study, carried out in both a fluidised bed (fast heating rate) and a fixed bed (slow heating rate), addresses the influence of temperature, initial concentration, support matrix, composition of the gas and intern diffusion on vaporisation dynamics. The kinetic laws were obtained by identifying on-line results to mathematical laws and validated by comparison to experimental kinetics. A mathematical model was developed at the particle scale in order to simulate the heavy metal vaporisation during waste combustion. It takes into account the thermal transfer phenomena, the mass transfer and the chemical reactions. This model permit to understand the influence of parameters on the kinetic control of heavy metal vaporisation.