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THÈSE UNIVERSITE DE PAU ET DES PAYS DE L’ADOUR École doctorale en Sciences Exac

THÈSE UNIVERSITE DE PAU ET DES PAYS DE L’ADOUR École doctorale en Sciences Exactes et leurs Applications (ED211) Présentée et soutenue le 06 mars 2018 par Baby-Jean Robert MUNGYEKO BISULANDU pour obtenir le grade de docteur de l’Université de Pau et des Pays de l’Adour en Mécanique des fluides-Énergétique-Thermique-Combustion-Acoustique Spécialité : Énergétique MODELISATION DE L’APPORT D’ENERGIE PAR COMBUSTIBLES ALTERNATIFS DANS LES FOURS TOURNANTS DE PRODUCTION DE CIMENT MEMBRES DU JURY RAPPORTEURS • Monsieur Fabrice PATISSON Professeur à l’Université de Lorraine • Monsieur Ange NZIHOU Professeur à l’Ecole des Mines Albi Carmaux EXAMINATEURS • Madame Sophie DUQUESNE Professeur à l’Université de Lille • Madame Sabine SOCHARD Maître de conférences à l’Université de Pau et des Pays de l’Adour • Monsieur Jean-Pierre BEDECARRATS Professeur à l’Université de Pau et des Pays de l’Adour DIRECTEUR • Monsieur Frédéric MARIAS Professeur à l’Université de Pau et des Pays de l’Adour A ma défunte sœur Perpétue Symphorose-Fédor Mungyeko, que Dieu a rappelé auprès de lui en 2015. ii iii A mes Parents, Gilbert Mungyeko et Clémentine Wumba, pour leur dévouement. iv v A mes frères et sœur, Huguette, Max-Pol, Landry, Patou et Blanchard, tous Mungyeko, pour l’amour fraternel. vi vii A ma future épouse et mes futurs enfants, l’expression de mes vives affections familiales. viii ix Epigraphe. Et plus de charbon non plus ! x xi Remerciements. Voici venu le moment d’écrire mes remerciements et j’espère que je ne vais oublier personne. Tout d’abord, je tiens à remercier Monsieur le Professeur Pierre Cézac d’avoir donné son accord pour mon accueil au sein du Laboratoire de Thermique, Énergétique et Procédés (LaTEP), ainsi que pour son engagement dans les moments les plus durs de cette thèse. Je remercie Monsieur Frédéric Marias, mon directeur de thèse, de m’avoir encadré tout au long de cette thèse et de m’avoir fait confiance. J’ai beaucoup appris à son contact, et pas seulement dans le domaine de modélisation des fours tournants. A ce jour, je ne suis plus tout à fait la même personne qu’il y a trois ans. J’estime avoir bénéficié d’un encadrement de qualité tant sur la modélisation des fours tournants que sur le traitement thermique de déchets et biomasse. Grâce à son aide, j’ai eu la maitrise du langage de programmation fortran. Je remercie également le LaTEP et son directeur, Monsieur Jean-Pierre Bedecarrats, ainsi que les membres du laboratoire avec une mention spéciale aux Messieurs Erwin Franquet et Philippe Bernada, pour leurs conseils et aides ponctuels. Je remercie également Messieurs Stanislas Mutamba et Guy Kuza de la cimenterie de Lukala (CILU), et Messieurs Justin Nkuama et Charles Pongo Pongo de la cimenterie nationale de Kimpese (CINAT) pour m’avoir fourni les informations techniques nécessaires afin de mener à bien mes travaux de recherche. Ils étaient toujours disponibles à échanger avec moi. Je tiens pareillement à remercier Monsieur Stéphane Scibetta de la cimenterie de Lixhe CBR de Liège. Je remercie l’Université Kongo (UK), par son Recteur, Monsieur Jean Nsonsa, pour avoir financé ma thèse. Je remercie également les professeurs de la Faculté Polytechnique de l’Université Kongo, en particulier Messieurs Eduard Mulapi et Sumuna Temo. xii J’adresse mes profonds remerciements à Monsieur Fabrice Patisson, Professeur à l’Université de Lorraine, et à Monsieur Ange Nzihou, Professeur à l’Ecole des Mines Albi Carmaux, pour avoir accepté de poser un regard critique sur mon travail. Je les remercie pour leur travail de rapporteur et pour le temps qu’ils y ont consacré. Je remercie également les autres membres du jury : Madame Sophie Duquesne, Professeur à l’Université de Lille, Madame Sabine Sochard, Maître de conférences à l’Université de Pau et des Pays de l’Adour, et Monsieur Jean-Pierre Bedecarrats, Professeur à l’Université de Pau et des Pays de l’Adour. Je remercie chaleureusement Monsieur Jean Batina qui m’a apporté un soutien fructueux. Il m’a porté comme un fils. Je remercie également la directrice de l’école doctorale ED211, Madame Anna Chrostowska, pour son dévouement afin que cette thèse soit soutenue. Je n’oublie pas ma cousine Chantal Mavengi dit « Kuezi » et mon cousin Daddy Landana pour leur dévouement à mon arrivée en France. Je n’oublie pas également mes nièces Arnelle, Audrane, Oindi Christella, Elielle, Arline, Gracielle, et Othnielle pour leur affection en mon égard. Je pense à mes amis, Jocelyne Zambele, Bob Kiaveka, Andy Bakari, Hervé Nsuadi, Yves Nyaboloko, Aquilas Nsonizeno, Guylain Lema, Lydie Wasafulu, Guy Wanlongo, Hervé Masumu, Luc Luzaya, Robert Lubika. Je pense également aux collègues doctorants et chercheurs, notamment Max Ndame, Mamadou N’diaye, Hamdi Messabeb, Akrama Memoud, Axel Fache dit « le terminator ». Enfin, je tiens à remercier la communauté congolaise de Pau, mention spéciale à l’Abbé Achille Makoso, Mymy Kambu et Mamisa Mbange. Ils ont été ma seconde famille durant mon séjour à Pau. J’aimerais finir par une citation d’un livre que j’aime, la bible : « Garde ton cœur plus que toute autre chose, car de lui viennent les sources de la vie » (Proverbes 4, 23). xiii Résumé. En raison de l'épuisement des combustibles fossiles et en raison de son coût croissant, les déchets ont été utilisés comme combustibles alternatifs dans les fours rotatifs à ciment pendant plusieurs années. Afin de répondre aux exigences de protection de l'environnement et de qualité du produit final, il est nécessaire de comprendre et de quantifier les différents processus intervenant dans le four. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la substitution partielle des déchets (pneus usés et Refuse Derived Fuel « RDF ») et biomasse (résidus d’agriculture) dans les fours tournants de production de ciment à un taux de 50 % d’apport énergétique. Le présent projet de thèse a été financé par la République Démocratique Congo, porté par l’Université Kongo (UK), dans le cadre du renfoncement des capacités des universités congolaises. Les travaux de recherche ont été réalisés au sein du Laboratoire de Thermique, Energétique et Procédés (LaTEP) de l’Ecole Nationale Supérieure en Génie de Technologies Industrielles (ENSGTI)/Université de Pau et des Pays de l’Adour (France), dans le but d’étudier et de comprendre les phénomènes thermochimiques se déroulant dans les fours tournants de production de ciments, dans le cas de substitution partielle des combustibles fossiles par des combustibles alternatifs. Pour cela, un modèle mathématique à deux sous-modèles a été établi : - Le modèle monodimensionnel stationnaire du lit de solides et de l’enveloppe du four, caractérisé dans sa première partie par le mélange de la farine de ciment, de déchets et/ou biomasse, et de gaz, et alors que dans sa deuxième partie par les échanges thermiques. Le travail de modélisation est effectué à l'aide du langage de programmation Fortran 90 dans lequel sont implémentées les équations de conservations de la masse, des espèces et de l’énergie, l’équation de transport de la charge, ainsi que les équations algébriques. - Le modèle tridimensionnel instationnaire, repose sur l’utilisation de la mécanique des fluides numérique, et l’outil commercial Fluent a été retenu pour représenter les processus se déroulant au-dessus de la surface libre du lit. xiv Le modèle complet est le couplage entre les deux sous modèles, étant donné les échanges qui s’y effectuent. Deux grands groupes de simulations ont été réalisés dans cette thèse : le cas monodimensionnel et le cas global (couplage Modèle 1D-Modèle 3D). Dans les deux situations, les simulations ont été effectuées dans le cas de fonctionnement au fuel lourd seul, puis dans celui du fonctionnement avec substitution partielle du combustible fossile par les combustibles alternatifs. Pour le modèle monodimensionnel, les simulations ont été effectuées en imposant les flux de chaleur dans la surface libre du lit et dans la paroi découverte. Alors que pour le modèle global, les simulations ont été effectuées en considérant les densités de flux de chaleur associées aux phénomènes physico-chimiques (combustion du fuel lourd, rayonnement, turbulence) se déroulant dans le volume de gaz situé au-dessus de la surface libre du lit. Les résultats ainsi obtenus nous ont permis de conclure sur l’importance de mener en amont une étude expérimentale dans un four tournant à l’échelle pilote afin de pouvoir disposer des ordres de grandeur des différents flux de chaleur au sein du four tournant. Les résultats obtenus nous ont également permis de nous rendre compte de la nécessité de disposer de la géométrie exacte (emplacement) du brûleur dans le four tournant. Mots clés : Four tournant à ciment, Modélisation physique et numérique, Clinkérisation, Pyrolyse de déchets et biomasse, Combustion, Gazéification, Clinker-Ciment, Déchets- Biomasse. xv Abstract. Because of the depletion of fossil fuels and because of its increasing cost, waste has been used as alternative fuels in cement rotary kilns for several years. In order to fulfill the requirements of environmental protection and quality of the final product, it is necessary to understand and quantify the different processes occurring in the kiln. As part of this thesis, we focused on the partial substitution of waste (used tires and Refuse Derived Fuel "RDF") and biomass (agricultural residues) in rotary kilns producing cement at a rate of 50 % of energy supply. This thesis project was funded by the Democratic Republic of Congo, led by Kongo University (UK), uploads/Litterature/ mungyeko-3.pdf