Etude d'un électrobrûleur industriel doté d'une torche à arc triphasée pour la valorisation

231 Pages·2017·8.78 MB·French

by  Sabri Takali

Etude d’un électrobrûleur industriel doté d’une torche à
arc triphasée pour la valorisation énergétique de
combustibles à faible pouvoir calorifique
Sabri Takali
To cite this version:
SabriTakali. Etuded’unélectrobrûleurindustrieldotéd’unetorcheàarctriphaséepourlavalorisation
énergétique de combustibles à faible pouvoir calorifique. Génie chimique. Ecole Nationale Supérieure
des Mines de Paris, 2015. Français. ￿NNT: 2015ENMP0071￿. ￿tel-01315556￿
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N°: 2009 ENAM XXXX

École doctorale n° 432 : Sciences des Métiers de l’Ingénieur

Doctorat ParisTech

T H È S E

pour obtenir le grade de docteur délivré par

l’École nationale supérieure des mines de Paris

Spécialité “Énergétique et procédés”

Présentée et soutenue publiquement par
Sabri T AKALI
Spécialité “ Énergét ique et Procédés ”
Le 02 déce mbre 2015

Étude d'un électrobrûleur industriel doté d'une torche à arc

triphasée pour la valorisation énergétique de combustibles à

faible pouvoir calorifique

Directeurs de thèse : Laurent FULCHERI et François CAUNEAU
Co-encadrement de la thèse : Frédéric FABRY et Vandad ROHANI

Jury

M . Jean-Jacques GONZALEZ, Directeur de Recherche, CNRS Président
T
M . Jean-Marie BARONNET, Professeur émérite, Université de Limoges Rapporteur

M. Yann Cressault, Maître de conférences, Université de Toulouse Examinateur
H

M. Jean-Marie Chiocci, Directeur division équipement, Tournaire S.A. Examinateur

M. Ange Nzihou, Professeur, Mines Albi Examinateur
È
M . Laurent Fulcheri, Directeur de recherche, Mines ParisTech Examinateur

M. François Cauneau, Maître de recherche, Mines ParisTech Examinateur
S
M. Frédéric Fabry, Ingénieur de recherche, Mines ParisTech Invité
M. Vandad Rohani, Maître assistant, Mines ParisTech Invité
E

MINES ParisTech
PERSEE
1, Rue Claude Daunesse, 06904 Sophia Antipolis
2
A mes trois petites sœurs, Sabrine, Souhir, Farah
A mes parents Hbib et Dalila
A la femme de ma vie, Mayssoun

3
Remerciements

Cette thèse de Doctorat a été réalisée dans le cadre d’un partenariat entre le centre PERSEE
de Mines ParisTech et la société grassoise Tournaire S.A. Par ces quelques lignes, je tiens à
remercier ceux qui ont participé de près ou de loin au bon déroulement de cette thèse. Mon
premier remerciement s’adresse naturellement à M. Jean-Marie Chiocci, Directeur de la
division équipement chez Tournaire S.A., qui, malgré son emploi de temps chargé, n’a pas
ménagé ses efforts pour apporter son expertise industrielle et faire réussir la partie
expérimentale de ma thèse. Je lui remercie également pour sa présence dans mon jury.
Un grand merci à Messieurs les Professeurs Jean-Marie Baronnet et Jean-Jacques Gonzalez
pour l’honneur qu’ils m’ont fait en acceptant d’examiner mon manuscrit de thèse. J’adresse
également de chaleureux remerciements à M. Yann Cressault pour avoir évaluer mon travail
et pour le grand intérêt qu’il lui a porté. Merci aussi à M. Ange Nzihou d’avoir accepté d’être
membre du jury.
J’adresse mes remerciements les plus sincères à M. Laurent Fulcheri qui fut pour moi plus
qu’un directeur de thèse. Je lui suis reconnaissant de m’avoir assuré un encadrement
rigoureux tout au long de ces années de thèse. Il m’a toujours accordé le temps nécessaire
pour discuter et il a su acheminé mon enthousiasme vers la bonne direction. Je tiens aussi à
remercier M. François Cauneau de m’avoir fait bénéficier tout au long de ce travail de ses
grandes compétences et sa grande clairvoyance. J’éprouve également mes sincères gratitudes
envers M. Vandad Rohani. Enfin, je suis redevable à M. Frederic Fabry « Fred » qui fut pour
moi un ami plus qu’un maître de thèse, sans lui ce travail n’aurait pas été possible, je le
remercie pour tout ce qu’il m’a appris, pour les discussions enrichissantes que j’ai eu avec lui,
pour sa gentillesse, …
Je remercie également tous les membres du centre PERSEE, en particulier, Monsieur le
directeur Arnaud Rigacci, Laurent, Marie-Jeanne, Lyliane, Christine, Brigitte, Patrick et
Pierre. Je remercie toutes les personnes formidables que j’ai pu rencontrer pendant mes
années de thèse : Abbass, Massiel, Christophe, Papa, Guigui, Maxime …
4
Pour mes premiers pas en France, merci à Dali et Rabi.
Pour ceux qui m’ont appuyé et encouragé de loin à effectuer ce travail de recherche, je dédie
ce mémoire à mon Père Hbib qui avec ses exploits a su toujours me challenger, à ma Mère
Dalila – toujours fière de moi- pour sa douceur et son amour éternel, à mes petites sœurs
Sabrine, Souhir et Farah pour leurs encouragements et leur amour inconditionnel. Finalement,
je dédie ce travail à la femme avec laquelle je vais partager ma vie, à Mayssa …

5
6
Sommaire
Introduction Générale ............................................................................................................... 14
Chapitre I .................................................................................................................................. 18
Etat de l'art ................................................................................................................................ 18
1. La biomasse comme source d’énergie du futur ............................................................ 18
1.1. Contexte Mondial ............................................................................................. 18
1.2. Les différentes formes de biomasse ................................................................ 20
1.2.1. Le biogaz ............................................................................................................ 21
1.2.2. Les biocarburants de 1èregénération .................................................................. 21

1.2.3. La biomasse solide ............................................................................................. 22
1.3. Les différents procédés thermiques de valorisation de la biomasse ............ 24
1.3.1. La pyrolyse ......................................................................................................... 24
1.3.2. La gazéification .................................................................................................. 25
1.3.3. La combustion .................................................................................................... 25
1.3.3.1. L’oxy-combustion .......................................................................................... 26
1.3.3.2. La co-combustion ........................................................................................... 27
1.3.3.3. La combustion assistée par plasma ................................................................. 27
2. Les électrobrûleurs plasma dans les centrales thermiques ......................................... 32
2.1. Situation mondiale ............................................................................................ 32
2.2. Les différents concepts d'électrobrûleur ........................................................ 36
2.3. Etude technico-économique ............................................................................. 42
2.3.1. Intérêts technologiques ....................................................................................... 42
2.3.2. Intérêts économiques .......................................................................................... 44
2.3.2.1. Premier cas d’étude ........................................................................................ 44
2.3.2.2. Deuxième cas d’étude ..................................................................................... 48
3. Les Différentes technologies de torches plasma haute température .......................... 50
7
3.1. Les différents types de torche plasma ............................................................ 50
3.1.1. Technologie Radiofréquence .............................................................................. 50
3.1.2. Technologie Micro-Ondes .................................................................................. 51
3.1.3. Technologie à arc ............................................................................................... 51
3.1.3.1. Technologie à arc DC ..................................................................................... 53
3.1.3.2. La technologie à arc triphasé et la torche plasma PERSEE............................ 54
3.2. Autres applications des plasmas à arc de moyennes puissances dans
l’industrie ............................................................................................................................ 57
4. Conclusion ....................................................................................................................... 60
Chapitre II ................................................................................................................................ 64
Développement et caractérisation expérimentale d’une torche plasma triphasée à électrodes en
graphite fonctionnant à l’air ..................................................................................................... 64
1. Problématique, objectifs de l’étude et démarche expérimentale ................................ 64
2. Description du banc expérimental ................................................................................. 67
2.1. La torche plasma triphasée ............................................................................. 67
2.2. Les sous-systèmes ............................................................................................. 69
2.3. Les dispositifs d’analyse et de mesure ............................................................ 71
2.3.1. Le Chromatographe en phase gazeuse ............................................................... 71
2.3.2. Le détecteur NDIR ............................................................................................. 72
2.3.3. Les caméras ........................................................................................................ 72
2.3.4. Autres moyens de mesures ................................................................................. 73
3. Analyse du fonctionnement de la torche plasma actuelle dans des conditions
oxydantes ................................................................................................................................. 74
3.1. Nature et géométrie des électrodes en graphite ............................................. 74
3.2. Processus d’érosion des électrodes .................................................................. 76
3.2.1. L’érosion par ablation ........................................................................................ 76
3.2.2. L’érosion chimique ............................................................................................ 78
8
3.3. Comparaison et quantification de l’érosion en fonction des conditions
expérimentales .................................................................................................................... 80
3.3.1. Nature du gaz plasma ......................................................................................... 80
3.3.1.1. Erosion à l’azote ............................................................................................. 80
3.3.1.2. Erosion à l’air ................................................................................................. 83
3.3.1.3. Erosion au monoxyde de carbone ................................................................... 84
3.3.1.4. Erosion à l’air avec injection de noir de carbone ........................................... 88
3.3.1.5. Conclusion ...................................................................................................... 89
3.3.2. Débit du gaz plasma ........................................................................................... 90
3.4. Bilans énergétique en fonction des conditions expérimentales .................... 91
3.5. Caractérisation du comportement de l’arc .................................................... 93
3.5.1. Algorithme de détection et d’analyse des mouvements des arcs ....................... 94
3.5.2. Analyse statistique des propriétés de l’arc ......................................................... 95
4. Développement d’une nouvelle torche adaptée à la combustion assistée par plasma
98
4.1. Objectifs ............................................................................................................ 98
4.2. Solutions technologiques préconisées pour augmenter la puissance de la
torche ............................................................................................................................ 99
4.3. Solutions technologiques préconisées pour réduire l’érosion des électrodes ..
.......................................................................................................................... 102
4.3.1. Gainage des électrodes par un gaz neutre ou réducteur ................................... 102
4.3.2. Protection chimique des électrodes .................................................................. 102
4.3.3. Augmentation du diamètre des électrodes........................................................ 103
4.3.4. Protection physique des électrodes................................................................... 104
4.3.5. Contrôle de l’écoulement du flux d’air ............................................................ 105
4.4. Solutions technologiques préconisées pour réduire les pertes thermiques 105
4.5. Nouvelle conception de la torche plasma triphasée ..................................... 106
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