Les bilans matière et les besoins en air en excès sont évalués en combinant la stœchiométrie des réactions avec les compositions mesurées de l’alimentation et des fumées. Dans une installation pilote de traitement thermique, les opérateurs déterminent d’abord la composition élémentaire du combustible et des déchets, puis calculent la quantité théorique d’oxygène nécessaire à une oxydation complète. L’analyse des fumées sèches, mesurant généralement O₂, CO₂, CO et parfois SO₂, HCl et les hydrocarbures, sert à vérifier le bilan, à calculer l’air en excès, à évaluer la complétude de la combustion et à dimensionner le traitement des gaz en aval.

Le calcul central compare l’oxygène fourni par l’air à la quantité nette d’oxygène nécessaire pour oxyder le carbone, l’hydrogène, le soufre et les autres éléments combustibles en produits finaux définis. Des résultats fiables nécessitent une base de calcul définie, des mesures cohérentes sur gaz humide ou sec, ainsi que des bilans par constituant ou élémentaire sur l’ensemble de l’installation pilote.

Établissement de la base du bilan matière

Définir les limites du procédé

Les limites du bilan englobent normalement la chambre de combustion, notamment l’alimentation en déchets, le combustible primaire, l’air de combustion, les cendres ou résidus, ainsi que les fumées.

En régime permanent, l’accumulation est supposée nulle :

[ \text{Entrée totale}=\text{Sortie totale} ]

Un schéma de procédé doit identifier chaque flux traversant les limites, notamment le combustible auxiliaire, l’air enrichi en oxygène, l’eau de trempe, la liqueur de lavage et les résidus solides.

Choisir une base de calcul

Une base pratique peut être une heure de fonctionnement, un lot de déchets ou une masse fixe de déchets, par exemple 100 kg.

La base doit être appliquée de manière cohérente aux débits d’alimentation, aux mesures de gaz, aux quantités de résidus et aux besoins calculés en oxygène.

Caractériser l’alimentation

Le combustible et les déchets sont analysés pour déterminer leur teneur en carbone, hydrogène, oxygène, azote, soufre, chlore, humidité, cendres et autres constituants pertinents.

Pour les déchets organiques dangereux tels que les PCB, le chlore est particulièrement important, car une conversion complète peut produire du HCl lorsqu’une quantité suffisante d’hydrogène est présente, ou d’autres produits chlorés lorsque les conditions de réaction et la composition de l’alimentation diffèrent.

Calcul de l’oxygène théorique

Écrire les réactions de combustion complète

Pour les principaux éléments combustibles, les produits visés par une combustion complète sont généralement :

[ \mathrm{C \rightarrow CO_2} ]

[ \mathrm{H \rightarrow H_2O} ]

[ \mathrm{S \rightarrow SO_2} ]

Pour un combustible générique contenant du carbone, de l’hydrogène, de l’oxygène et du soufre, le besoin théorique en oxygène est calculé à partir de l’inventaire élémentaire.

Une expression couramment utilisée, basée sur les masses, est :

[ m_{\mathrm{O_2,théorique}}

\frac{32}{12}m_C + 8m_H + m_S

m_O ]

où les masses élémentaires sont exprimées dans des unités cohérentes. L’oxygène déjà lié dans le combustible est soustrait, car il contribue à l’oxydation et réduit donc la quantité d’oxygène qui doit être introduite avec l’air.

Prendre en compte conjointement les déchets et le combustible auxiliaire

Le besoin en oxygène doit inclure les matières combustibles provenant à la fois des déchets et du combustible auxiliaire.

Par exemple, de l’hexane peut être utilisé comme combustible primaire tandis que les déchets apportent du carbone, de l’hydrogène et du chlore supplémentaires. La demande totale théorique en oxygène repose sur l’alimentation élémentaire combinée, et non sur le seul combustible auxiliaire.

Considérer la combustion incomplète comme un résultat de performance

Le besoin théorique en oxygène est défini pour une oxydation complète vers les produits finaux sélectionnés. La présence de CO, de suie, d’hydrocarbures imbrûlés ou de carbone résiduel indique une conversion incomplète, mais ne modifie pas le besoin théorique en oxygène.

Ces espèces servent plutôt à évaluer les performances de combustion et à déterminer si le mélange, la température, le temps de séjour ou la distribution d’air sont insuffisants.

Détermination du besoin en air

Calculer l’air théorique

L’air sec est généralement approximé comme contenant environ 20,99 % molaire d’O₂ et 78,03 % molaire de N₂, ainsi que de petites quantités d’argon, de dioxyde de carbone et de gaz traces.

Le besoin théorique en air est donc :

[ n_{\mathrm{air,théorique}}

\frac{n_{\mathrm{O_2,théorique}}}{0.2099} ]

Si de l’air enrichi en oxygène est utilisé, la fraction molaire réelle d’oxygène de l’alimentation doit remplacer 0,2099 dans ce calcul.

Calculer l’apport réel d’oxygène

L’oxygène entrant avec l’air est déterminé à partir du débit d’air et de sa composition :

[ n_{\mathrm{O_2,entrée}}

y_{\mathrm{O_2,air}}n_{\mathrm{air,entrée}} ]

Pour un flux d’air, l’apport correspondant d’azote est également calculé :

[ n_{\mathrm{N_2,entrée}}

y_{\mathrm{N_2,air}}n_{\mathrm{air,entrée}} ]

L’azote est un constituant utile pour le bilan, car il traverse normalement la zone de combustion en grande partie sans modification, à l’exception de faibles effets liés aux combustibles contenant de l’azote ou à la formation thermique de NOₓ.

Calculer le pourcentage d’air en excès

La définition standard est :

[ %\text{ air en excès}

\frac{n_{\mathrm{air,réel}}-n_{\mathrm{air,théorique}}} {n_{\mathrm{air,théorique}}} \times 100 ]

De manière équivalente, en utilisant l’oxygène :

[ %\text{ air en excès}

\frac{n_{\mathrm{O_2,entrée}}-n_{\mathrm{O_2,requis}}} {n_{\mathrm{O_2,requis}}} \times 100 ]

Ici, (n_{\mathrm{O_2,requis}}) représente l’oxygène net requis par l’air, après prise en compte de l’oxygène déjà présent dans le combustible ou les déchets.

Utilisation de l’analyse des fumées pour vérifier le bilan

Mesurer sur une base sèche cohérente

Les analyseurs Orsat ou les analyseurs de gaz instrumentaux fournissent couramment les concentrations sèches des fumées en O₂, CO₂, CO et parfois SO₂.

La vapeur d’eau est éliminée ou exclue d’une analyse sèche, de sorte que les quantités de gaz calculées doivent également utiliser une base sèche. Comparer des mesures sèches à des calculs théoriques humides crée des erreurs systématiques.

Utiliser les fractions molaires et la loi de Dalton

Si un analyseur de gaz indique les fractions molaires, la pression partielle de chaque constituant est :

[ p_i=y_iP ]

où (y_i) est la fraction molaire du constituant et (P) la pression totale.

La concentration mesurée en O₂ indique la quantité d’oxygène restante après la combustion. Une concentration résiduelle élevée en O₂ correspond généralement à un air en excès plus important, tandis qu’une concentration très faible peut indiquer un déficit en oxygène, à condition que la mesure soit fiable et que les infiltrations d’air aient été exclues.

Appliquer les bilans de carbone et d’azote

Un bilan carbone compare le carbone entrant dans le combustible et les déchets au carbone sortant sous forme de :

CO₂
CO
Hydrocarbures imbrûlés
Suie ou carbone imbrûlé dans les résidus solides

Un bilan azoté compare l’azote entrant avec l’air et le combustible à l’azote présent dans les fumées sèches et les produits azotés.

Ces bilans aident à identifier les fuites, les infiltrations d’air, les erreurs des analyseurs, les produits non mesurés ou une caractérisation inexacte de l’alimentation.

Déduire le débit d’air lorsque la mesure directe n’est pas fiable

Les mesures de débit de gaz à haute température peuvent être difficiles et sujettes aux erreurs. Dans de nombreuses installations pilotes, l’apport d’air et la production totale de fumées sont déduits des bilans élémentaires à partir du débit mesuré de combustible, de la composition des déchets, des données sur les résidus et de l’analyse des fumées sèches.

Cette méthode indirecte est particulièrement utile lorsque les fumées sont chaudes, corrosives, chargées en particules ou de composition variable.

Évaluation des performances de combustion et de traitement

Distinguer combustion complète et incomplète

Une combustion complète produit principalement du CO₂ et du H₂O à partir des matières carbonées et contenant de l’hydrogène.

Le CO, la suie, les hydrocarbures imbrûlés et le carbone combustible résiduel indiquent une combustion incomplète. Leur présence doit être rapportée séparément du calcul de l’air en excès, car un excès d’oxygène ne garantit pas à lui seul une destruction complète si la température, la turbulence ou le temps de séjour sont insuffisants.

Relier le bilan aux performances thermiques

L’air en excès influence à la fois les performances environnementales et l’efficacité énergétique.

Une quantité d’air insuffisante peut provoquer une combustion incomplète, la formation de suie et de CO, ainsi qu’un fonctionnement instable. Une quantité d’air excessive augmente le volume de gaz à chauffer et à évacuer, ce qui accroît les pertes de chaleur sensible et peut réduire le rendement thermique.

Utiliser les bilans de chlore pour le contrôle des gaz acides

Pour les déchets chlorés, le bilan de chlore aide à estimer la production de HCl et contribue à la conception d’un laveur de gaz acides.

Le bilan doit prendre en compte le chlore présent dans les déchets, le HCl présent dans les fumées, le chlore retenu dans les solides et tout autre produit chloré mesuré ou attendu.

Comprendre les compromis

L’air en excès n’est pas synonyme de destruction complète

Une valeur élevée d’air en excès peut améliorer la disponibilité de l’oxygène, mais elle ne peut pas compenser une température de combustion insuffisante, un mauvais mélange ou un temps de séjour trop court.

Les performances de destruction thermique doivent donc être évaluées à l’aide de la température, du temps de séjour, des conditions de mélange, du CO, des hydrocarbures imbrûlés et, le cas échéant, de mesures de l’efficacité de destruction et d’élimination.

L’oxygène des fumées peut être trompeur

L’O₂ résiduel peut augmenter en raison de fuites d’air dans le four ou le système d’échantillonnage. Si l’infiltration n’est pas identifiée, l’air en excès calculé sera surestimé.

L’étalonnage de l’analyseur, les essais d’étanchéité, le conditionnement de la ligne d’échantillonnage et la correction de la dilution sont essentiels pour obtenir des résultats significatifs.

L’air enrichi en oxygène nécessite des calculs révisés

L’utilisation d’air enrichi en oxygène modifie la relation entre le débit d’oxygène et le débit total de gaz. Appliquer la teneur standard de 20,99 % en oxygène de l’air sec à une alimentation enrichie sous-estimera ou représentera de manière erronée le besoin réel en air.

La concentration mesurée ou spécifiée en oxygène du flux d’enrichissement doit être utilisée à la place.

Les bases de mesure doivent être cohérentes

La composition du combustible peut être indiquée sur une base telle que reçue, celle des déchets sur une base sèche et les fumées sur une base sèche corrigée en oxygène.

Ces bases ne peuvent pas être combinées directement. L’humidité, les cendres, l’oxygène du combustible, l’enrichissement en oxygène et la dilution doivent être réconciliés avant de calculer les bilans matière ou les émissions.

Faire le choix adapté à votre objectif

La méthode d’évaluation appropriée dépend de ce que l’installation pilote doit démontrer :

Si votre objectif principal est la stœchiométrie de la combustion : Déterminez l’alimentation élémentaire combinée, calculez les besoins théorique et net en oxygène, puis comparez-les à l’oxygène fourni par le combustible et l’air.
Si votre objectif principal est le contrôle de l’air en excès : Utilisez une analyse étalonnée de l’O₂ des fumées sèches avec la composition de l’alimentation en air et vérifiez le résultat au moyen des bilans d’azote et de carbone.
Si votre objectif principal est la performance de destruction : Évaluez le CO, les hydrocarbures imbrûlés, la suie, la température, le temps de séjour et le mélange, en plus du pourcentage calculé d’air en excès.
Si votre objectif principal est la conception du traitement des émissions : Réalisez les bilans de carbone, de chlore, de soufre et de particules afin d’estimer le CO₂, le HCl, le SO₂, les cendres et la charge du laveur.
Si votre objectif principal est la qualité des données de l’installation pilote : Réconciliez tous les flux sur une même base et utilisez des bilans élémentaires indirects pour vérifier les débitmètres, les analyseurs, les fuites et les sorties non mesurées.

Une évaluation défendable d’une installation pilote relie les calculs stœchiométriques, la composition mesurée des fumées, les conditions de fonctionnement et les exigences de contrôle des émissions au sein d’un bilan matière cohérent.

Tableau récapitulatif :

Domaine d’évaluation	Données d’entrée principales	Résultat principal
Bilan matière	Données sur l’alimentation, le combustible, l’air, les résidus et les fumées	Bilan massique entrée-sortie vérifié
Oxygène théorique	Carbone, hydrogène, soufre et oxygène dans l’alimentation	Besoin en O₂ pour une combustion complète
Air en excès	Apport réel d’air ou d’O₂ par rapport à la demande théorique	Pourcentage d’air en excès
Vérification des fumées	Données sèches d’O₂, CO₂, CO, SO₂ et d’azote	Validation de la combustion et des mesures
Performance de destruction	CO, hydrocarbures, suie, température et temps de séjour	Évaluation de la complétude de la combustion
Traitement des émissions	Bilans de chlore, soufre, carbone, cendres et particules	Charge du laveur et besoins de traitement
Qualité des données	Bases humide/sèche et telle que reçue/sèche cohérentes	Résultats défendables de l’installation pilote

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