Characterization of Hydrodynamics and Solids Mixing in Fluidized Beds Involving Biomass

L'intérêt croissant pour l'utilisation de la biomasse comme source renouvelable d'énergie propre a entraîné l'application vaste d'unités de traitement thermique de la biomasse à travers le monde. Ces unités, qui sont principalement basées sur la fluidisation gaz-solide, souffrent de certains obstacles hydrodynamiques tels que la ségrégation du lit. En outre, les aspects d'écoulement multiphasiques complexes de ces unités ont toujours demeuré largement inconnus. Par conséquent, la réalisation d'une recherche approfondie sur ce domaine est cruciale pour le design et l'optimisation du fonctionnement des unités de biomasse à lit fluidisé. Cette thèse se concentre donc sur la caractérisation de l'hydrodynamique et les phénomènes de mélange dans les lits fluidisés contenant des mélanges de sable et de particules irrégulières de biomasse. Le premier objectif de cette étude est de comprendre l'effet des grosses particules de biomasse sur les caractéristiques des bulles et le type de distribution de gaz dans les lits fluidisés de sable. Cela est essentiel pour atteindre le deuxième objectif qui est la caractérisation de mélange/ségrégation de la biomasse et des particules de sable dans les conditions de fluidisation. Explorer les paramètres régissant le mélange/ségrégation est utile pour ajuster les conditions d'exploitation afin d'améliorer ce phénomène bénéfique pour le système. En conséquence, la ségrégation est exploitée dans le dernier chapitre de cette thèse afin de séparer les composants combustibles des déchets solides municipaux par un processus par étapes. Une variété de techniques expérimentales est utilisée pour étudier le comportement des deux phases constituant un lit fluidisé, soit phase diluée (bulle) et dense (émulsion). L'exploration des vitesses de fluidisation pour les mélanges de sable et de biomasse dévoile que l'apparition des bulles dans ce système se produit à une vitesse de gaz plus élevée par rapport à la vitesse de fluidisation initiale de fluidisation (Uif). La vitesse initiale de bullage (Uib), la vitesse de fluidisation finale (Uff), et la vitesse du gaz de transition du régime de bullage au régime turbulent (Uc) augmentent avec l'augmentation de la fraction de la biomasse dans le mélange. Les fluctuations locales des signaux de pression et de porosité sont mesurées dans des positions différentes du lit à l'aide de capteurs de pression absolue et différentielle et des sondes à fibre optique. L'analyse statistique du signal de pression au dessus du lit révèle que l'augmentation de la charge de la biomasse empêche l'évolution des bulles à faible vitesse de gaz (U<0,6 m/s), tandis qu'à des vitesses élevées, la tendance de propagation de lits contenant différentes fractions de la biomasse est comparable. L'ajout de particules de biomasse à un lit de sable conduit à augmenter la porosité moyenne du lit, mais le degré de vide de chaque phase reste inchangé. On observe que les grandes particules de biomasse déclenchent l'éclatement de bulles, ce qui mène à l'augmentation de la fréquence de bullage. La fraction de bulles au centre du lit augmente avec la charge de biomasse. Cependant, en ajoutant 2% en masse de la biomasse au sable pur, cette fraction diminue à la paroi puis augmente à l'addition de biomasse supplémentaire. La technique de suivi des particules radioactives (RPT) est mise en œuvre dans la deuxième partie de ce travail pour étudier le mouvement et la distribution des particules de biomasse à U=0,36 m/s et U=0,64 m/s. À cet égard, une particule active de biomasse est suivie pour une longue période de temps et sa position instantanée est enregistrée. Les données acquises sont ensuite traitées pour obtenir le profil de concentration moyenne temporelle des particules de biomasse. Ce profil représente la ségrégation des particules de biomasse qui ont tendance à s'accumuler dans les niveaux supérieurs du lit. Les variations de la fraction de la biomasse avec la vitesse de la fluidisation sont déduites des changements locaux des valeurs de perte de charge moyenne temporelle au dessus du lit. Pour déterminer les paramètres affectant le mouvement et la ségrégation des particules de biomasse, le mouvement circulatoire de la biomasse est également examiné en utilisant les données RPT. A U=0,36 m/s, La circulation de la biomasse est empêchée lorsque la charge de biomasse monte, ce qui entraîne une ségrégation plus prononcée du sable et de la biomasse. Une tendance inverse est observée à U=0,64 m/s, lorsque la charge de la biomasse augmente de 2% à 16% en masse. C'est à dire, plus de particules de biomasse peuvent compléter leur circulation tout en coulant dans les parties les plus profondes du lit. Cela provoque une répartition plus uniforme de particules le long du lit et amène un plus haut degré de mélangeage. Ces phénomènes pourraient être directement liés à l'activité de bullage du lit qui est influencée par la vitesse du gaz et de la composition du lit, comme indiqué dans la première partie de cette étude. Sur la base des résultats RPT, la vitesse d'augmentation moyenne de la biomasse est de 0,2 fois la vitesse de bulle, indépendamment de la charge de biomasse ou de la vitesse de fluidisation. Un modèle unidimensionnel est proposé afin de prévoir la fraction volumique de la biomasse le long du lit. Certains des termes de ce modèle sont liés au comportement de fluidisation des particules de biomasse, déduits par RPT. Les résultats de ce modèle pourraient prédire avec succès les valeurs expérimentales correspondantes. La fluidisation du sable et des particules de biomasse cylindriques est aussi simulé à l'aide du logiciel BARRACUDA CPFD, qui est basé sur la méthode Lagrange-Eulérienne. Les résultats des simulations et des expériences sont comparés dans le but d'évaluer la capacité de l'approche numérique pour prédire les caractéristiques de propagation du mélange sable-biomasse pour les systèmes différents en termes de composition et de vitesse de fluidisation. L'approche numérique choisie pourrait prédire avec succès la mesure de l'expansion du lit pour chaque espèce (sable ou biomasse). En outre, les propriétés statistiques de la distribution de la taille et la vitesse des bulles –telles que la moyenne, l'écart-type et l'asymétrie –obtenues à partir de la simulation sont comparables avec les valeurs expérimentales correspondantes. La dernière partie de cette thèse est consacrée à la séparation des principaux composants des déchets encombrants déchiquetés. Le motif derrière cela est la nécessité du contrôle de la composition des combustibles dérivés de déchets solides pour promouvoir l'efficacité de la combustion et de réduire le niveau des émissions qui en résultent. À cet effet, les écoulements presque purs des éléments combustibles dérivés des déchets solides sont exigés de fabriquer un combustible souhaitable. À cet égard, un processus par étapes est développé sur la base des phénomènes d'élutriation et de ségrégation. Après élimination des espèces légères et entrelacées de déchets déchiquetés par élutriation, les matériaux non élutriés sont en outre séparés dans deux colonnes successives de fluidisation. Polypropylène et perles de verre sont introduits comme les médias de fluidification dans ces colonnes afin de rendre la ségrégation des composants cible et non-cibles possibles. Par conséquent, les matériaux combustibles indésirables et les particules de plastique dur sont séparés comme le trop-plein de la première et la deuxième étape de fluidification. Une deuxième colonne d'élutriation est également conçue pour séparer la fibre et le plastique mou. Les pourcentages de recouvrement et la pureté des étapes constituant le processus global sont respectivement de 95% et 47% dans les conditions de fonctionnement optimales. Pour déterminer ces conditions, plusieurs paramètres d'influence tels que la vitesse d'élutriation, la durée de l'élutriation, la taille et la densité des médias de fluidisation et de la configuration initiale du déchet et les matières du lit sont explorés. La cinétique de ségrégation est également dérivée pour les deux étapes de fluidification.