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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
N° d'ordre : 2246 THESE présentée pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École doctorale : Energétique et Dynamique des Fluides Spécialité : Mécanique des Fluides par Mme Olga BATRAK ETUDES NUMERIQUE ET EXPERIMENTALE DE L'HYDRODYNAMIQUE DES LITS FLUIDISES CIRCULANTS GAZ-PARTICULES AVEC PRISE EN COMPTE DE LA POLYDISPERSION GRANULOMETRIQUE Soutenance le 9 septembre 2005, devant le jury composé de : M. Pierre GUIGON Président MM Olivier SIMONIN…………………… Directeur de thèse Bo LECKNER………………………. Rapporteur Eric PEIRANO……………………….. Rapporteur Mme Isabelle FLOUR…………………….. Membre MM Mehrdj HEMATI…………………….. Membre Thierry LE GUEVEL………………… Invité Everest PEREZ……………………….. Invité

  • classification génétique

  • comminution du calcaire

  • définition de comminution

  • modelisation eulerienne de la phase continue

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  • roches d'origine organique

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Publié le 01 septembre 2005
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N° d’ordre : 2246






THESE


présentée

pour obtenir

LE TITRE DE DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE



École doctorale : Energétique et Dynamique des Fluides

Spécialité : Mécanique des Fluides

par

Mme Olga BATRAK



ETUDES NUMERIQUE ET EXPERIMENTALE DE L’HYDRODYNAMIQUE
DES LITS FLUIDISES CIRCULANTS GAZ-PARTICULES
AVEC PRISE EN COMPTE DE LA POLYDISPERSION GRANULOMETRIQUE

Soutenance le 9 septembre 2005, devant le jury composé de :

M. Pierre GUIGON Président

MM Olivier SIMONIN…………………… Directeur de thèse
Bo LECKNER………………………. Rapporteur
Eric PEIRANO………………………..
Mme Isabelle FLOUR…………………….. Membre
MM Mehrdj HEMATI…………………….. Membre
Thierry LE GUEVEL………………… Invité
Everest PEREZ……………………….. Invité

Remerciements
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
REMERCIEMENTS

Ce travail a été réalisé dans le cadre de la collaboration entre EDF, ALSTOM Power Boiler et
IMFT, sous la direction de monsieur le Professeur Olivier Simonin, auquel je tiens à exprimer
ma profonde gratitude pour ses directives et précieux conseils scientifiques tout au long de
mes recherches.
Je remercie tout particulièrement Salvatore Ignaccolo, Didier Brudy ainsi que l’ensemble du
groupe des Chaudière thermiques de SEPTEN pour leur implication dans la réalisation de ce
travail. Je remercie vivement monsieur Thierry Le Guevel, pour m’avoir prodigué de
nombreux conseils, apporté de la rigueur et participé à l’encadrement de chaque étape de
cette thèse.
De plus, l’accueil favorable qui m’a été réservé par le groupe des Ecoulements industrielles
réactifs et diphasiques d’EDF R&D Chatou, me permettant de travailler dans de bonnes
conditions doit être rappelé et salué. En outre, je tiens à exprimer ma reconnaissance à
madame Isabelle Flour, dont la constante disponibilité ainsi que les conseils avisés m’ont
grandement aidée durant ces années et en particulier lors de la rédaction du mémoire.
Je veux ensuite remercier monsieur Jean Xavier Morin et Everest Perez d’ALSTOM Power
Boiler (Vélizy) pour leur participation dans ce travail, en particulier dans la réalisation du
programme expérimental sur la boucle à Lit Fluidisé Circulant de Compiègne. La présence
de monsieur Woody Fivelande d’ALSTOM Power Boiler (USA) fut, elle aussi, enrichissante
durant nos comités de thèse.
Je tiens aussi à évoquer monsieur Mourhad Hazi de l’Université Technologique de
Compiègne pour l’encadrement des stagiaires sur la boucle expérimentale à Lit Fluidisé
Circulant, ainsi que l’équipe technique de l’UTC, notamment Jérôme Orrier, Philippe, et les
stagiaires Yves Santiago, Lucie Marchal pour leur aide dans la réalisation des essais.
J’adresse toute ma reconnaissance au professeur Bo Leckner, de l’Université de Chalmers
(Suède) et à Eric Peirano, de l’ADEME-DER, pour avoir accepté d’être rapporteurs de cette
thèse. Enfin, que les professeurs Mehrdj Hemati, de l’Ecole Nationale Supérieure des
Ingénieurs en Arts Chimiques et Technologiques, et Pierre Guigon, de l’Université
Technologique de Compiègne, qui ont accepté de composer notre jury de ma thèse,
reçoivent mes plus sincères remerciements.
J’adresse une pensée à tous les amis et la famille, qui m’ont soutenue et permis de mener à
bien mes recherches.
5Table des matières générale
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

TABLE DES MATIERES

NOMENCLATURE 1
INTRODUCTION 5
CHAPITRE I 9

Synthèse bibliographique sur les phénomènes de comminution
dans le Lit Fluidisé Circulant :
approche Théorique et Expérimentale
__________________________________________________________________________
1 INTRODUCTION 12
2 COMBUSTION DU CHARBON EN LIT FLUIDISE CIRCULANT 13
3 LES ROCHES SEDIMENTAIRES : LE CHARBON, LE CALCAIRE 16
3.1 Les roches sédimentaires 16
3.1.1 Formation des roches sédimentaires 17
3.1.1.1 L'origine des roches sédimentaires 17
3.1.1.2 Le nom des sédiments et roches sédimentaires 19
3.1.1.3 La texture des roches sédimentaires 20
3.1.2 La classification des roches sédimentaires 21
3.1.2.1 Classification selon le faciès 21
3.1.2.2 Classification génétique 21
3.1.2.3 Classification physico-chimique 21
3.1.3 Exemples des roches chimique et biochimique 22
3.1.3.1 Calcaire 22
3.1.3.2 Roches siliceuses 22
3.1.3.3 Évaporites 22
3.1.3.4 Les dômes de sel 23
3.1.3.5 Les roches d’origine organique 23
3.2 Le charbon 24
3.2.1 Cycle de Carbone 24
3.2.1.1 Le cycle global du carbone 25
3.2.1.2 Le cycle du carbone organique 26
3.2.2 L’origine et la formation du charbon 29
3.2.3 Ressources mondiales et utilisation du charbon 31
3.2.4 Classification des charbons 33
iTable des matières générale
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
3.2.5 Analyses classiques des charbons 33
3.2.5.1 Analyse immédiate 34
3.2.5.2 Analyse élémentaire 34
3.2.5.3 Analyse des cendres. 34
3.2.5.4 Pouvoir calorifique 35
3.2.6 Analyses plus approfondies 36
3.2.6.1 Pétrographie 36
3.2.6.2 Structure cristallographique du charbon 38
3.2.7 Autres caractéristiques possibles, (Centre du Pyrolyse de Marieneau) 38
3.2.7.1 Dilatométrie 38
3.2.7.2 Plastomé39
3.2.7.3 Mesure de la porosité 40
3.2.7.4 Mesure des surfaces spécifiques 41
3.3 Le calcaire 42
3.3.1 La composition, la classification et l’utilisation
3.3.2 Analyse des calcaires en application au LFC 46
3.3.3 Porosité des calcaires 47
3.3.3.1 Classifications de la porosité en fonction de la taille des pores 48
3.3.3.2 La porosité en fonction de la nature sédimento - diagénétique de la roche 49
3.3.3.3 Méthodes d’études de la porosité 52
4 LES PHENOMENES DE COMMINUTION 54
4.1 Comminution du charbon 54
4.1.1 Définition par le laboratoire de Naples (IRC-CNR Naples) 54
4.1.1.1 Définition de comminution (Chirone et al. (1991)), (IRC-CNR Naples) 54
4.1.1.2 e PAPSD et Ash Attrition (Cammarota et al. (2001, 2002)),
(IRC-CNR Naples) 56
4.1.2 Définition par le laboratoire de Vienne (TU Vienne) 57
4.1.3 Différences dans les protocoles expérimentaux 58
4.1.4 Comminution du charbon aux différentes étapes de la combustion 59
4.1.4.1 Dévolatilisation 59
4.1.4.2 Combustion hétérogène 59
4.1.5 Conclusion 63
4.2 Comminution du calcaire 63
4.2.1 Définition de Scala et al. (1997), IRC-CNR Naple 64
4.2.2 Définition en termes de réactions chimiques de désulfuration 66
4.2.2.1 Réaction de calcination 67
4.2.2.2 Réaction de sulfatation 67
4.2.3 Conclusion 71
4.3 Synthèse sur l’étude théorique de la comminution 72
5 ETUDES EXPERIMENTALES DE LA COMMINUTION 74
5.1 Les études expérimentales sur les installations d’échelle du laboratoire
74
5.1.1 Attrition du combustible et des cendres 75
iiTable des matières générale
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
5.1.1.1 Fragmentation primaire 75
5.1.1.2 Fragmesecondaire 75
5.1.1.3 Attrition par abrasion et fragmentation par percolation 76
5.1.1.4 Conclusion 78
5.1.2 Etude du concept de PAPSD 80
5.1.2.1 Les études de Cammarota et al. (2001, 2002) 80
5.1.2.2 L’étude de Winter et al. (2000) 81
5.1.2.3 Conclusion 82
5.1.3 Estimation de l’Attrition des cendres ou de FAPSD 82
5.1.3.1 Attrition des cendres, Cammarota et al. (2002), IRC-CNR Naples 83
5.1.3.2 Détermination de FAPSD, Winter et al. (2000), TU Vienne 83
5.1.3.3 Conclusion 84
5.1.4 Comminution du calcaire 85
5.1.4.1 Installation expérimentale et protocole d’essais pour l’étude de l’attrition du
calcaire 85
5.1.4.2 Résultats importants pour la Fragmentation primaire et l’Attrition par abrasion
87
5.1.4.3 Fragmentation par les impacts 87
5.1.4.4 Etudes par d’autres laboratoires 88
5.1.5 Conclusion 88
5.2 Etudes expérimentales sur les installations semi-industrielles et
industrielles 89
5.2.1 Installation de IET Chine 1.5MWt 89
5.2.2 Installations de l’Université Technologique de Chalmers Suède 91
5.2.3 Autres études expérimentales 94
5.2.4 Conclusion 95
5.3 Synthèse sur les etudes expérimentales de la comminution 95
6 CONCLUSION DU CHAPITRE I 97

CHAPITRE II 99

Les équations de la modélisation polydispersée,
prise en compte des effets des collisions
__________________________________________________________________________
1 INTRODUCTION 100
2 MODELISATION EULERIENNE DE LA PHASE CONTINUE 104
2.1 Equations de bilan 104
2.1.1 Bilan de masse de la phase gazeuse 105
2.1.2 Bilan de quantité de mouvement de la phase gazeuse 106
iiiTable des matières générale
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2.2 Modèle de transfert interfacial Ik 106
2.2.1 La vitesse relative moyenne et vitesse de drift fluide - particules 107
2.2.2 Le coefficient moyen de traînée 108
2.3 Modélisation de la turbulence 108
2.3.1 Equation de transport de l’énergie cinétique de la phase gazeuse 109
2.3.2 Equation de transport du taux de dissipation de l’énergie turbulente de la
phase gazeuse 109
2.4 Modélisation du tenseur de Reynolds 110
2.5 Modèle des termes d’interaction fluide-particules 111
3 MODELISATION STATISTIQUE DE LA PHASE PARTICULAIRE 112
3.1 Description statistique du système 112
3.1.1 Définitions des moyennes 113
3.1.2 Equation de Boltzmann 114
3.2 Les équations de conservation pour la phase particulaire 115
3.2.1 Bilan de masse pour les particules de classe p 115
3.2.2 Bilan de la quantité de mouvement pour les particules de classe p 115
3.3 Modélisation du mouvement fluctuant pour la phase dispersée 119
3.3.1 Bilan de l’énergie cinétique fluctuante des particules de la classe p 119
3.3.2 Bilan de la covariance fluide - particules de la classe p 120

CHAPITRE III 123

Simulations numériques tridimensionnelles du pilote expérimental
froid du CERCHAR :
effets de la polydispersion, de la charge massique
et des collisions inter-classes
__________________________________________________________________________
1 INTRODUCTION 125
2 PRESENTATION DE LA BASE DE DONNEES EXPERIMENTALES 127
2.1 La géométrie de l’installation expérimentale 127
2.2 Conditions opératoires 129
2.3 Les particules 130
2.3.1 Sable de Seine, diamètre harmonique moyen 260 µm
ivTable des matières générale
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
2.3.2 Mélange de deux sables 131
2.4 Les résultas expérimentaux importants 133
2.4.1 Profils longitudinaux de pression 134
2.4.2 Les flux massiques locaux 135
3 LA CONFIGURATION DES SIMULATIONS ET DES CAS TESTS
NUMERIQUES 139
3.1 La géométrie des simulations 139
3.2 Le maillage 140
3.3 Détermination de la granulométrie 141
3.3.1 Définitions des diamètres moyens 142
3.3.2 Méthodologie de la détermination de classes équivalentes 144
3.4 Les paramètres de calcul, conditions limites 146
3.4.1 Détermination du taux de présence des solides en entrée 146
3.4.2 Vitesses en entrée 146
3.4.3 Autres conditions limites 146
3.4.4 Les caractéristiques physiques des phases 146
3.5 Définition des cas test des simulations 147
3.6 Stratégie des calculs 149
4 ANALYSE DES SIMULATIONS TRIDIMENSIONNELLES INSTATIONNAIRES
DU PILOTE LFC DU CERCHAR 152
4.1 Etude de la faisabilité des simulations sans interaction entre les classes de
particules 152
4.1.1 Simulations monodispersés, influence du diamètre moyen 152
4.1.2 Influence de la polydispersion, simulation sans collision entre les classes
154
4.1.3 Influence de la charge massique, simulations bidispersées sans collision
entre les classes 159
4.1.4 Limite du modèle sans interactions par collisions entre les classes de
particules 162
4.2 Introduction des collisions entre les classes de particules de différents
diamètres 164
4.2.1 Simulation bidispersée avec les termes d’interaction entre les classes 164
4.2.2 Simulation tridispersée avec collisions entre différentes classes de
particules 171
4.2.3 Simulation du mélange de particules (260µm) avec les « batchs » de
(1.3mm) 183
5 CONCLUSION DU CHAPITRE III 192

vTable des matières générale
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
CHAPITRE IV 195

Etudes expérimentale et numérique
du pilote L.F.C. à l’échelle 1/5-ème
de l’Université Technologique de Compiègne
__________________________________________________________________________
1 INTRODUCTION 197
2 ETUDE EXPERIMENTALE 198
2.1 Géométrie de la boucle expérimentale 198
2.2 Conditions de fonctionnement 203
2.2.1 Géométrie et fonctionnement de l’installation industrielle Emile Huchet
204
2.2.2 Similitude des conditions de fonctionnement de la maquette 205
2.3 Méthode et moyens de mesures 207
2.3.1 Revue bibliographique sur les sondes par aspiration 207
2.3.2 La canne et le système de prélèvement de solides utilisés pour les essais
208
2.3.3 Cartographie des mesures de flux locaux 210
2.3.4 Détermination de la granulométrie 211
2.4 Etude préliminaire 212
2.4.1 Etude de la symétrie de l’installation
2.4.2 Etude de la reproductibilité des mesures de flux de solides 213
3 CARACTERISATION EXPERIMENTALE DE L’HYDRODYNAMIQUE 216
3.1 Le profil longitudinal de pression 216
3.2 Les profils des flux locaux des solides 218
4 REPARTITION PAR CLASSE DE PARTICULES DANS LE FOYER 221
4.1 Profils radiaux dans une section de la colonne en z = 4.48 m 221
4.1.1 Profils radiaux selon x, z = 4.48 m 221
4.1.2 lon y, z = 4.48 m 223
4.1.3 Profils radiaux selon la diagonale, z = 4.48 m. 225
4.2 Profils radiaux dans une section de la colonne en z = 6.1 m 227
4.2.1 direction X, z = 6.1 m 227
4.2.2 direction Y, z = 6.1 m 229
4.2.3 Profils radiaux selon la direction diagonale, z = 6.1 m 234
viTable des matières générale
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
4.3 Etude de l’évolution axiale de la granulométrie dans la colonne 236
4.4 Synthèse de l’évolution de diamètre moyen de Sauter dans la colonne
fluidisée 236
5 SIMULATIONS TRIDIMENSIONNELES, INSTATIONNAIRES, EULERIENNES
DE L’INSTALLATION PILOTE LFC DE L’U.T.C. 239
5.1 Géométrie de simulation, maillage 239
5.2 Répartition en classes granulométriques pour les simulations 241
5.2.1 Répartitions monodispersée et bidispersée 241
5.2.2 Répartition polydispersée en six classes de particules 241
5.2.3 Vitesse terminale de chute des particules de FeSi 245
5.3 Conditions de simulation 245
5.4 Analyse des simulations tridimensionnelles instationnnaires du pilote
LFC de l’Université Technologique de Compiègne 245
5.4.1 Critères de stabilité des simulations 246
5.4.2 Comparaison des résultats des simulations aux mesures 250
5.4.2.1 Les profils longitudinaux de pression 251
5.4.2.2 Les profils radiaux de flux axiaux de solides 252
6 CONCLUSION DU CHAPITRE IV 255



CONCLUSION 259

BIBLIOGRAPHIE 263

ANNEXES 277

PUBLICATIONS, COMMUNICATION 287
viiNomenclature
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
NOMENCLATURE

Lettres latines

: le diamètre moyen des particules de la classe p d p
: distance entre les particules de classe p et n en collision d pn
: coefficient de restitution lors des collisions e , e pn c
: coefficient moyen de traînée F D
: l’accélération de la pesanteur g i
: la fonction radiale de distribution au point de contact des particules de g pn
classe p et n en collision
: fonction de distribution de paires des particules, fonction g 0
d’encombrement
: le taux de transfert de quantité de mouvement entre les phases continue I p,i
et dispersées diminué de la contribution de la pression moyenne de la
phase continue
: la masse de la particules de la classe p, respectivement n m , m p n
: le nombre moyen des particules de la classe p, respectivement n n , n p n
: la pression moyenne des particules de la classe p, de la phase gazeuse P ,P p g
2 : l’énergie cinétique fluctuante des particules de la classe p q p
: la covariance gaz – particules de la classe p q gp
2 : l’énergie cinétique turbulente du gaz q g
: le nombre de Reynolds particulaire pour la classe p Re p
: collision source term in p class particles momentum equation Spn,i
: la vitesse instantanée de la classe p u p,i
: la vitesse moyenne de la classe p U = u p,i p,i p
: la vitesse fluctuante de la classe p ′ ′u = u −U p,i p,i p,i
: la vitesse instantanée du gaz u g,i
: la vitesse moyenne du gaz U = u g ,i g,i g
: la vitesse fluctuante du gaz ′u = u −U g,i g,i g,i
1