Les composés organiques volatils (COV) sont des composés polluants émis dans l’atmosphère par de nombreuses activités industrielles (peintures, adhésifs, solvants de dégraissage et de nettoyage, imprimeries, enduction de revêtements de sols et muraux par du PVC, usines pétrochimiques et pharmaceutiques,…), qui ont des effets nocifs aussi bien sur la santé de l’homme que sur l’environnement(essentiellement pollution photochimique). La lutte contre la pollution atmosphérique due aux émissions de COV est réglementée par les autorités publiques (Directive Européenne 1999/13/CE). Il existe, pour réduire les émissions de COV, différents procédés tels que l’incinération (thermique ou catalytique), la condensation cryogénique, l’adsorption sur charbon actif, le lavage par des solvants, la bioépuration, la séparation par membranes… Les possibilités de mise en oeuvre et d’effi cacité de ces techniques sont fonction des caractéristiques du gaz à traiter (débit et concentration) et des contraintes technologiques et économiques propres au procédé envisagé. Le projet concerne l’étude de faisabilité technique d’un procédé de captation de vapeurs de divers composés organiques (essentiellement des alcanes et des aromatiques),émis par des unités d’enduction, par lavage avec des solvants visqueux et non volatils, des phtalates, issus de ces mêmes unités. L’efficacité des procédés d’absorption étant liée aux équilibres liquide-vapeur, à la cinétique des transferts de masse entre le gaz et le liquide et au choix adéquat du dispositif de contact entre le gaz et le liquide, la recherche scientifique a comporté les phases suivantes : (i) la mesure expérimentale des solubilités et diffusivités des COV étudiés dans les solvants lourds considérés, dans une large gamme de températures, valeurs pour la plupart inédites, (ii) la détermination des cinétiques de transfert dans le film liquide au moyen d’essais réalisés dans un absorbeur pilote à faisceaux de câbles, (iii) la conception d’un procédé d’épuration des effl uents gazeux émis par les unités d’enduction et le développement de modèles de calcul qui incorporent ces paramètres fondamentaux de transfert gaz-liquide, d’une part, et permettent de dimensionner des unités de traitement de gaz effl uents fonctionnant suivant le procédé envisagé, d’autre part. Cette dernière étape est nécessaire pour valoriser les résultats de la recherche auprès d’ensembliers industriels wallons, notamment la société qui parraine le projet. Cette étude, intégrée dans un projet FIRST-EUROPE Objectif 3, d’acronyme EVAPOL, a pu être menée à bien grâce aux subsides de la Région Wallonne et du Fond Social Européen.

Thèse doctorat : Sciences et Techniques du Déchet : Villeurbanne, INSA : 2002. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. [145]-155.

L’objectif de cette étude est de proposer des stratégies de récupération de chaleur au sein d’une aluminerie en se basant sur des considérations techniques et économiques. Après analyse des principaux postes de pertes de chaleur de l’aluminerie, l’étude focalise sur une source particulière : les effluents gazeux issus des cuves d’électrolyse. Deux applications sont envisagées et analysées dans deux articles scientifiques : le chauffage de bâtiments dans l’aluminerie, et le chauffage d’une serre. Dans les deux cas, une modélisation dynamique de la demande de chauffage est proposée, accompagnée d’un dimensionnement détaillé des échangeurs de chaleur et des équipements. Puis, une optimisation est réalisée pour minimiser les coûts de capital et d’opération de l’implantation. Enfin, des cas d’étude sont proposés afin d’analyser la variabilité des solutions retenues. / The objective of this study is to propose heat recovery strategies in a primary aluminum smelter by considering technical and economic aspects. After analyzing the various heat sources and sinks, it was decided to focus the study on the flue gases exiting the electrolysis cells. Two applications are envisioned and presented in two scientific articles: heating buildings within the aluminum smelter, and heating a greenhouse. In both cases, a dynamic model of heating requirement is proposed, associated to the detailed design of heat exchangers and equipment. Then, an optimization is performed to minimize the implementation capital and operation costs. Last, several case studies are presented in order to analyze the variability of the retained solutions.

La prise de conscience de l'importance de la gestion des déchets et de la préservation des ressources a conduit de plus en plus d'acteurs du monde agricole à s'intéresser au compostage comme mode de traitement d'effluents d'élevage ou de boues de stations d'épuration. Les filières d'utilisation de ces substrats, épandage, compostage ou autre, doivent donc être comparées. On sait en effet que l'agriculture est responsable d'une part importante des émissions d'ammoniac (NH3) et de protoxyde d'azote (N2O) et ainsi, indirectement ou directement, de l'augmentation de la concentration de N2O dans l'atmosphère. Trois séries d'expérimentations ont été menées respectivement sur des mélanges d'écorces de peuplier et de fientes de poules pondeuses, sur du fumier de poulet sans ou avec additifs et sur un mélange de paille et de boues de station d'épuration rurale, en parallèle avec un nouveau mélange d'écorces et de fientes. La première a permis de mesurer les émissions de gaz azotés d'un andain (25 m3) en cours de compostage. Elles étaient de 50% environ de l'azote initial sous forme N- NH3 et de moins de 1% sous forme N-N2O. La production de N2O était associée à des activités de nitrification/dénitrification et avait principalement lieu en phase de maturation. La seconde a révélé, pour du compostage de courte durée (1,5 mois) et en taille expérimentale (2 m3), les conditions dans lesquelles les émissions de NH3 et de N2O étaient les plus fortes ou les plus faibles et lesquelles favorisaient l'activité de dénitrification des micro-organismes. L'augmentation du rapport carbone/azote et l'addition de composés ou microorganismes adéquats font passer les pertes en NNH3 de 55 à 7% de l'azote initial. Leur effet sur la libération de N2O (0,2-0,9%) dépend de nombreux facteurs. La troisième a montré que les andains de compostage (10 et 25 m3) devaient être considérés comme des écosystèmes à part entière composés de différents compartiments (grossièrement entrée, fond, sortie et croûte) où les populations microbiennes s'organisent différemment, l'entrée étant productrice de N2O, le fond et la sortie, producteurs, en équilibre ou consommateurs suivant les moments. La taille de l'andain en expérimentation est donc une donnée capitale pour considérer les résultats comme représentatifs de la réalité.

Récemment, de nombreuses recherches ont été dévolues à la mise au point de réacteurs biphasiques, perçus comme une nouvelle technologie pour le traitement des polluants organiques dans les effluents gazeux. Ces réacteurs impliquent lutilisation dune seconde phase non aqueuse pour améliorer la solubilité et le transfert de masse des composés hydrophobes. Dans ce travail, nous avons développé un réacteur biphasique agité utilisant lhuile de silicone comme seconde phase. Initialement, Rhodococcus erythropolis T 902.1 a été sélectionné sur base de sa capacité à dégrader lisopropylbenzène (IPB), un composé choisi comme modèle représentatif de la famille du benzène. Deuxièmement, le transfert de masse de loxygène et de lIPB a été étudié en relation avec les conditions hydrodynamiques du réacteur et le type dhuile de silicone. Lutilisation dune proportion de 10 % dhuile de faible viscosité (10cSt) naffecte pas significativement le transfert de masse de loxygène. Cependant la grande solubilité de lIPB dans lhuile de silicone conduit à une forte augmentation du potentiel de transfert, spécialement pour les proportions en huile les plus élevées. Néanmoins, il ne semble pas utile de dépasser une proportion de 10 % car le KLaIPB et le KLaO2 diminuent drastiquement pour des proportions supérieures. Lexistence dune concentration optimale en élément biotique apparaît également. En effet, les concentrations optimales en biomasse (B) et extrait surfactant (ES) peuvent être évaluées à, respectivement 0,5 g/L et 0,7 g/L, elles assurent une valeur maximale du coefficient global de transfert de masse de loxygène (KLaO2). Plus spécifiquement, lES augmente laire interfaciale « a » en diminuant le diamètre des bulles tandis que la biomasse la diminue dès quune concentration de 1 g/L est atteinte. Au contraire, lES agit négativement sur le KL tandis que la biomasse laméliore globalement. En terme de performance, il est clairement montré que la taux de biodégradation de lIPB est davantage corrélé au débit gazeux de leffluent quà la concentration en polluant. Le réacteur biphasique a été suivi sur une période de 38 jours afin de caractériser son comportement à moyen terme pour différentes conditions opératoires. Lors dune phase dalimentation transitoire (10h/j), la capacité moyenne délimination est denviron 240 g/m3 pour une charge massique de 390 g/m3. Finalement, une approche originale a été développée en utilisant un bioréacteur de type scale-down pour reproduire les conditions hydrodynamiques rencontrées dans les réacteurs industriels. Il est clairement démontré que le polluant (IPB) affecte négativement lextrapolation en augmentant la vitesse de séparation de phase. Cependant cet impact négatif est largement compensé par la présence déléments biotiques qui stabilise fortement le système biphasique, rendant totalement envisageable lextrapolation à grande échelle. En conclusion, lutilisation dun réacteur biphasique eau-huile de silicone pour lélimination de concentrations élevées (~ 6g/m3) en polluants hydrophobes est adéquate. Le réacteur proposé présente de réelles opportunités pour le traitement biologique deffluents pollués par des composés hydrophobes. Son utilisation pourrait être envisagée lorsque loxydation thermique savère trop onéreuse ou lorsque les biofiltres classiques atteignent leurs limites ( >1 g/Nm3 et une charge volumique de 90m3/m3.h.)./Recently, a lot of research has been devoted to the study of two-phase partitioning bioreactors (TPPB) as new technology for xenobiotic degradation in gaseous effluents. These reactors involve the use of a second non-aqueous phase to improve the solubility and transfer of hydrophobic compounds. In this work, we have developed a stirred two-phase partitioning bioreactor using silicone oil as second phase. Initially, Rhodococcus erythropolis T 902.1 was selected on the basis of its capacity to metabolize isopropyl-benzene (IPB), used as representative of the benzene-containing compounds. Secondly, the mass transfer of both IPB and oxygen has been considered with relation to their influence on the hydrodynamics of the reactor and the type of silicone oil used. The addition of 10% low viscosity silicone oil (10 cSt) in the reactor does not significantly affect the oxygen transfer rate. The very high solubility of IPB in the silicone oil leads to an enhancement of the driving force term, especially when high proportion of silicone oil are used. However, it is not necessary to use a volume fraction higher than 10% since KLaIPB and KLaO2 decrease sharply at above such proportion. In addition, an optimal concentration appeared to exist for both biotic components, respectively 0,5 g/L and 0,7 g/L for biomass (B) and surfactant extract (SE) when the global mass transfer coefficient (KLa) of oxygen was measured in the TPPB. More specifically, SE improved the interfacial area a by decreasing the bubble diameter, while B reduced it at concentrations up to 1 g/L. In contrast, the SE concentration acted negatively on KL, while it was favoured by the B concentration. In term of performances, it was clearly shown that the biodegradation rate is more directly related to the inlet flow of IPB than to the concentration of IPB in the inlet gas. The TPPB was monitored for 38 days to characterise its behaviour under several operational conditions. During an intermittent loading phase (10 h/day), the average elimination capacity remained above 240 g/m3.h for an average IPB inlet load of 390 g/m3. h. Finaly, an original approach was developed using a scale-down bioreactor allowing to reproduce the hydrodynamics encountered under full scale TPPB. It was clearly shown that the IPB affects negatively the scaling-up of the process by increasing the speed of phase partitioning. However, this negative impact was strongly compensated by the presence of biotic compounds stabilizing the two phase system and rendering the scaling-up process feasible. In conclusion, the use of a water-silicone oil TPPB to remove a high inlet load of IPB was successful. The proposed reactor retains a high potential for the biological treatment of gas effluents polluted by hydrophobic aromatic compounds. The suggested process might be applied in the range of concentration and flow where thermal oxidation is too expensive (between 1 and 7 g/Nm3) or when the biofilters are usually limited, i.e. to treat a polluted effluent concentrated with > 1 g/Nm3 at a flow of 90m3/m3.h.

Avec les nouvelles lois et réglementations sur les émissions polluantes des moteurs à combustion, de plus en plus d’attention est portée sur la phase de démarrage à froid. La période de cette phase est une courte période de 2 minutes environ où la température de fonctionnement du catalyseur n’est pas encore suffisamment élevée et pendant laquelle 70-80% de la totalité des hydrocarbures émis par le moteur sont relâchés à l’atmosphère. La température minimale de fonctionnement, définie comme celle pour laquelle le catalyseur atteint une conversion de sortie du réacteur de 50%, est au-dessus de 200 ̊C. Pour pallier à l’inefficacité des catalyseurs trois voies dans la phase de démarrage à froid d’un moteur, une zéolithe, présentant des canaux unidimensionnels et une ouverture de pore avec un anneau à 12 atomes d’oxygènes, a été utilisée; on parle, dans ce cas, du processus "Single File Diffusion". Dans ce projet, une série de zéolithes ZSM-12 de structure MTW avec différents contre ions (Na⁺, H⁺ et Ag⁺) et avec différents rapports atomiques Si/Al (52, 64 et 80) ont été synthétisées. Ces échantillons zéolithiques ont été testés comme adsorbants pour la capture des hydrocarbures (HCs) en utilisant le toluène et l’éthylène comme modèles de grandes et de petites molécules des hydrocarbures présents dans les gaz d’échappement d’un moteur au démarrage à froid. Avec la collaboration de Phytronix Technologies, une nouvelle méthode expérimentale de thermodésorption a été développée qui permet des vitesses de montée en température similaires à celles du pot catalytique au démarrage à froid. À des vitesses de montée en température de l’ordre de 5-10°C/s, les pics de thermodésorption des hydrocarbures ont été translatés vers des températures plus élevées qui sont aux à l’entour de 240°C pour l’éthylène et de 245°C pour le toluène. Il a été conclu que la Ag-ZSM-12 a une meilleure capacité d’adsorption des hydrocarbures et une meilleure stabilité thermique. Une étude numérique a été développée pour étudier la diffusion du mélange binaire toluène-éthylène dans le réseau poreux zéolithique de la zéolithe ZSM-12. Les simulations numériques montrent qu’en tenant compte de l’effet de la température sur le coefficient de diffusion d’une seule molécule dans la loi d’Arrhénius a permis d’avoir des résultats comparables aux résultats expérimentaux, permettant d’expliquer plusieurs caractéristiques des profils de désorption obtenus expérimentalement. Deux étapes ont été envisagées; le saut d’une cage à une autre (ED) puis le saut de la cage frontalière à la phase gazeuse (EΓ). Ces deux étapes ont différentes énergies d’activation avec . Pour chaque gaz, les deux énergies d’activation dépendent fortement du rapport atomique Si/Al et du rayon du contre ion (Na⁺, H⁺ et Ag⁺). / As regulations for emissions from gasoline engines become stricter, attention has been focused on the start-up phase (cold-start), when about 70-80% of total hydrocarbon (HC) emissions of an engine are released. This phase is a short period of 1-2 min prior to reaching the minimum catalyst operating temperature, around 200°C. In this thesis, the concept of single-file diffusion (in 1-D zeolites) was employed as a feasible approach to control automotive HC emissions during cold-start. This mechanism was investigated over a variety of zeolites with MTW structures for studying their trapping ability for lighter HC molecules, which are often desorbed before the three-way catalyst reaches its light-off temperature. In this thesis, a serie of ZSM-12 zeolites which different conterions (Na⁺, H⁺, Ag⁺) and with different Si/Al molar ratios (52, 64, 80) were synthesized. Temperature-programmed desorption (TPD) of ethylene and toluene, as models of light and heavy hydrocarbon molecules, was employed to screen these synthesized zeolites as potential HC traps. High heating rate desorption experiments were performed using the Phytronix Laser Diode Thermal Desorption system (S-960 LDTD) after desorption of toluene-ethylene mixture. Three heating rates which reflect the actual heating rate of the catalytic muffler have been used for the desorption process: 3, 5 and 9°C/s. For all solids considered in this study, the two HCs desorbed above 240°C. Ag-ZSM-12 was found the most appropriate HCs trapping adsorbent. Numerically, using a transient diffusion boundary value problem coupled with Fick’s law, it was possible to explain all qualitative features of the temperature dependent desorption profiles observed experimentally. Two steps must be considered, a cage to cage jumping followed by an escape from cage to gas phase. The two steps have different activation energies with EΓ> ED. For each component, both activation energies are strongly dependent on Si/Al ratio and radius of counterions. Moreover the effect of thermal vibration of the host lattice on diffusivities was also depicted.

Le secteur industriel du traitement des déchets génère des émissions gazeuses induisant des nuisances odorantes auprès des populations riveraines des installations. Ces effluents gazeux contiennent une grande diversité de composés volatils : oxygénés (acides gras volatils, cétones, aldéhydes, alcools), azotés et soufrés (hydrogène sulfuré (H2S), diméthylsulfure (DMS), diméthyldisulfure (DMDS) et méthanethiol (MT)). Ces effluents gazeux sont traités par un dispositif approprié que sont les bioprocédés. Néanmoins, les seuils de perception des composés odorants et plus particulièrement ceux des composés soufrés, très bas, obligent à atteindre des efficacités d'abattement particulièrement élevées, faute de quoi le résiduel de concentration peut être à l'origine d'un impact notable sur les populations riveraines. L'objectif de cette étude est donc d'améliorer les performances de ces procédés biologiques par la mise en oeuvre de filières de traitement. L'originalité de ce travail est d'évaluer les performances d'épuration d'un mélange de composés soufrés par la mise en oeuvre du couplage de deux procédés biologiques que sont le lit percolateur et le biofiltre.Le premier résultat de ce travail de thèse a consisté à évaluer l'impact du pH sur l'activité de dégradation de composés soufrés en mélange (H2S, DMS et DMDS) en mettant en oeuvre des microcosmes. La valeur du pH de la phase aqueuse a une influence sur l'efficacité d'élimination des DMS et DMDS. Une élimination complète de ces derniers est observée pour une gamme de pH comprise entre 5 et 7. Les performances de ce couplage ont été comparées avec celles observées dans le cas de biofiltres seuls (dupliquats). Après une phase d'acclimatation, un fonctionnement stable est maintenu en conditions opératoires stationnaires. Les potentialités du couplage ont été mises en évidence, les niveaux d'abattement des DMS et DMDS étant supérieurs (de l'ordre de 20%) pour le couplage de bioprocédés. La composante microbiologique a fait l'objet d'une attention particulière en évaluant les densités de deux populations connues pour dégrader ces composés soufrés (Hyphomicrobium et Thiobacillus thioparus) par q-PCR au sein du biofiltre couplé au filtre percolateur et des biofiltres de référence. Les résultats obtenus mettent en évidence la présence de ces deux populations à des taux élevés (104 copies du gène ADNr-16S/ng ADN extrait pour Thiobacillus thioparus et 104-106 copies du gène ADNr-16S/ng ADN extrait pour Hyphomicrobium). La répartition de ces deux populations est similaire dans les deux cas (couplage et biofiltres seuls).Face à des perturbations représentatives de celles observées sur site, la robustesse du couplage a pu être mise en évidence, les niveaux d'efficacité d'avant les chocs sont récupérés dans un délai inférieur ou égal à 72 heures après l'arrêt de la perturbation. Enfin, une application sur site (équarrissage) a été conduite sur une période de trois mois et a permis de valider les résultats de laboratoire et de montrer l'adaptabilité d'un tel système face à la variabilité d'un effluent réel.

Le secteur industriel du traitement des déchets génère des émissions gazeuses induisant des nuisances odorantes auprès des populations riveraines des installations. Ces effluents gazeux contiennent une grande diversité de composés volatils : oxygénés (acides gras volatils, cétones, aldéhydes, alcools), azotés et soufrés (hydrogène sulfuré (H2S), diméthylsulfure (DMS), diméthyldisulfure (DMDS) et méthanethiol (MT)). Ces effluents gazeux sont traités par un dispositif approprié que sont les bioprocédés. Néanmoins, les seuils de perception des composés odorants et plus particulièrement ceux des composés soufrés, très bas, obligent à atteindre des efficacités d’abattement particulièrement élevées, faute de quoi le résiduel de concentration peut être à l’origine d’un impact notable sur les populations riveraines. L’objectif de cette étude est donc d’améliorer les performances de ces procédés biologiques par la mise en oeuvre de filières de traitement. L’originalité de ce travail est d’évaluer les performances d’épuration d’un mélange de composés soufrés par la mise en oeuvre du couplage de deux procédés biologiques que sont le lit percolateur et le biofiltre.Le premier résultat de ce travail de thèse a consisté à évaluer l’impact du pH sur l’activité de dégradation de composés soufrés en mélange (H2S, DMS et DMDS) en mettant en oeuvre des microcosmes. La valeur du pH de la phase aqueuse a une influence sur l’efficacité d’élimination des DMS et DMDS. Une élimination complète de ces derniers est observée pour une gamme de pH comprise entre 5 et 7. Les performances de ce couplage ont été comparées avec celles observées dans le cas de biofiltres seuls (dupliquats). Après une phase d’acclimatation, un fonctionnement stable est maintenu en conditions opératoires stationnaires. Les potentialités du couplage ont été mises en évidence, les niveaux d’abattement des DMS et DMDS étant supérieurs (de l’ordre de 20%) pour le couplage de bioprocédés. La composante microbiologique a fait l’objet d’une attention particulière en évaluant les densités de deux populations connues pour dégrader ces composés soufrés (Hyphomicrobium et Thiobacillus thioparus) par q-PCR au sein du biofiltre couplé au filtre percolateur et des biofiltres de référence. Les résultats obtenus mettent en évidence la présence de ces deux populations à des taux élevés (104 copies du gène ADNr-16S/ng ADN extrait pour Thiobacillus thioparus et 104-106 copies du gène ADNr-16S/ng ADN extrait pour Hyphomicrobium). La répartition de ces deux populations est similaire dans les deux cas (couplage et biofiltres seuls).Face à des perturbations représentatives de celles observées sur site, la robustesse du couplage a pu être mise en évidence, les niveaux d’efficacité d’avant les chocs sont récupérés dans un délai inférieur ou égal à 72 heures après l’arrêt de la perturbation. Enfin, une application sur site (équarrissage) a été conduite sur une période de trois mois et a permis de valider les résultats de laboratoire et de montrer l’adaptabilité d’un tel système face à la variabilité d’un effluent réel. / Waste treatment industries generate gaseous emissions that may induce odor annoyance to the surrounding populations. These gaseous effluents contain a large variety of volatile compounds such as oxygenated (volatile fatty acids, ketones, aldehydes and alcohols), nitrogen and sulphur compounds (hydrogen sulphide (H2S), dimethylsulphide (DMS), dimethyldisulfide (DMDS) and methanethiol (MT). These gaseous emissions are controlled by using an adequate system such as biotechniques. Nevertheless, because of their very low odor thresholds, complete elimination of sulphur compounds has to be assessed, as the residual concentration can induce an odorous impact on neighbourhood populations. The aim of this study is to improve these bioprocesses performances by carrying out an adequate system strategy. The originality of this work is to evaluate the removal efficiency of a mixture of sulphur compounds by implementing a combination of two bioprocesses and more precisely a biotrickling filter and biofilter.The first step of this PhD. work consisted of evaluating the pH impact on the biodegradation activity of a mixture of sulphur compounds (H2S, DMS and DMDS) by using microcosms. The pH has an impact on the removal efficiency of DMS and DMDS. The total removal of these compounds is observed for a pH range between 5 and 7. The performances of the coupling have been compared with those reached by implementing control biofilters (duplicated). After an acclimatization period, stable performances are maintained under constant operating conditions. The efficiency of the coupling have been highlighted, the DMS and DMDS abatement levels are superior (around 20%) for the bioprocesses combination.The microbiological component has been investigated within all biofilters by estimating the densities of two populations involved in the biodegradation of sulphur compounds (Hyphomicrobium and Thiobacillus thioparus), by using qPCR. The obtained results highlighted the presence of both populations at high level (104 copies of DNAr-16S gene/ng extracted DNA for Thiobacillus thioparus and 104-106 copies of DNAr-16S gene/ng extracted DNA for Hyphomicrobium). The repartition of these two bacterial populations is similar in both cases (coupling system and reference biofilters). Under transient shock load conditions, the robustness of the coupling has been revealed. The efficiency levels before the shock load are recovered 48 hours after the perturbation off. Finally, the monitoring of an on- site pilot (rendering facility) has been carried out during three months. The laboratory results have been confirmed and the suitability of such a system has been showed under industrial gas variability.

La valorisation des effluents gazeux à faible pouvoir calorifique, sous-produits de différents procédés industriels (gazéification du charbon ou de la biomasse, rejets industriels) apparait aujourd’hui comme une solution alternative pour accroître l’efficacité globale des systèmes de combustion par réduction des coûts énergétiques et contrôle des rejets dans l’environnement. Dans ce contexte, une étude expérimentale d'oxyflammes d'un gaz à très bas pouvoir calorifique, le gaz de haut fourneau (BFG), est réalisée pour évaluer l'effet conjoint de l'oxycombustion et du préchauffage des réactifs pour la stabilisation des flammes turbulentes. La configuration du brûleur consiste en un jet annulaire de gaz de haut fourneau (BFG), entouré de deux injections d’oxygène (interne ‘O2i’ et externe ‘O2e’). Son dimensionnement s’appuie sur une méthodologie originale basée sur la détermination d’une vitesse de convection critique UC* à l’extinction de flamme, dérivée d’une valeur expérimentale d'un nombre de Damköhler critique Dac*. Les structures de flammes sont caractérisées par imagerie de chimiluminescence OH* et les propriétés thermiques et chimiques sont évaluées par mesures de température et flux thermique à la paroi et de la composition des fumées. Les champs aérodynamiques 2D des écoulements réactifs sont mesurés par PIV. Quatre principales topologies de flamme sont observées avec cette configuration de brûleur et classées suivant leur mode de combustion. Sans préchauffage, les deux flammes concentriques, interne ‘O2i-BFG’ et externe ‘BFG-O2e’, sont attachées au brûleur à basse puissance (Type A) ; la flamme BFG-O2e peut présenter une stabilité intermittente (Type B), ou se décrocher du brûleur (Type C) à la puissance nominale de dimensionnement. Avec préchauffage des réactifs, la flamme annulaire BFG-O2e reste toujours accrochée au brûleur et la flamme centrale O2i-BFG présente une zone d’extinction locale pour des fortes valeurs de vitesse d’O2i (Type D). L’ensemble des résultats a permis de mettre en avant un bon accord entre les prédictions théoriques et les valeurs expérimentales de UC* avec un élargissement des domaines de stabilité de flamme avec le préchauffage. L'analyse aérodynamique permet de caractériser les transitions entre les structures de flammes. Une validation du critère de dimensionnement de l’oxy-brûleur est aussi effectuée par changement d’échelle, grâce à des mesures réalisées sur une installation semi-industrielle de 180 kW. / The effective utilisation of low calorific value fuel, as gaseous by-products of coal/biomass or industrial residual gases, provides not only excellent opportunities for low cost power generation but also for the reduction of environmental impact of combustion. The present work aims to consider the combination of oxyfuel combustion with fuel and/or oxygen preheating in order to increase thermal efficiency by heat recovery and enhance oxyfuel flame stabilization of blast furnace gas (BFG). This experimental study is performed with a burner consisting in an annular jet of BFG surrounded by two injections of oxygen (internal 'O2i' and external 'O2e'). Its dimensions are determined from an original design strategy based on an experimentally critical Damköhler number Dac*, which represents the theoretical limit of stabilisation of a turbulent diffusion BFG-O2 flame with preheated reactants. Flames structures are characterized by OH* chemiluminescence imaging. Thermal and chemical flame properties are evaluated by temperature and radiative flux analysis and pollutant emissions measurements. The 2D aerodynamic fields of reactive flows are determined by velocity measurements by PIV. Four LCV flames structures are resulting from this burner configuration. Without preheating, two concentric flames, internal 'O2i-BFG' and external 'BFG-O2e', are anchored at the burner (Type A) at low thermal power. When increasing the latter, the external flame BFG-O2e manifests some local fluctuations (Type B) or is lifted-off (Type C). With reactants preheating, the BFG-O2e flame is always anchored at the burner tip and the O2i-BFG flame could have local extinction zone for very high values of internal oxygen velocity (Type D). The results highlight a good agreement between theoretical and experimental critical velocity UC* which significantly increases with preheating. The aerodynamics study points out the transitions between the different flames structures. At semi-industrial scale, flames show similar structures to those obtained at laboratory scale. This validates the burner design strategy of preheated oxyfuel combustion adapted to LCV fuels, as well as the scale up criteria used.

Dans le procédé de production d’engrais à base de superphosphate, l’attaque de la roche phosphatée par l’acide sulfurique génère des sous-produits gazeux odorants. Bien que leurs émissions se situent dans les limites réglementaires, les usines d’engrais à base de superphosphate sont susceptibles de causer des nuisances olfactives pour les riverains. Cette thèse propose d’étudier la faisabilité d’un procédé de traitement des odeurs par l’ozonation en phase gazeuse homogène. Une première étape de priorisation des composés chimiques ayant le potentiel odorant le plus important a été réalisée. Ce classement a été effectué à partir d’un rapport technique fourni par notre partenaire industriel basé sur une campagne de mesure olfactométrique et de caractérisation chimique des gaz émis par la cheminée d’une usine de production des engrais superphosphate. À partir du calcul de la valeur d’activité odorante (OAV), deux familles de composés ont été ciblées : les composés soufrés – représentés par le sulfure d’hydrogène (H2S), le sulfure d’éthylméthyle (MES) et le disulfure de diméthyle (DMDS) – et les aldéhydes (représentés par le propanal et le butanal). Deux techniques analytiques (GC/FID et SIFT/MS) ont été mises en œuvre afin d’évaluer les performances d’élimination de ces composés, la difficulté d'analyser une matrice gazeuse contenant de l'ozone ayant été mise en évidence. Ainsi, une interférence de l'ozone sur l'analyse des aldéhydes par GC/FID a été identifiée. La technique SIFT/MS a, quant à elle, nécessité un développement important. L’ozonation d’effluents gazeux modèles a été réalisée en suivant l’élimination des composés cibles dans différentes conditions de fonctionnement (temps de résidence, température du réacteur, concentration en ozone et taux d’humidité) dans un domaine expérimental compatible avec les contraintes industrielles. Les composés soufrés ont présenté des taux d’élimination élevés, particulièrement dans le cas de H2S, dont les conversions ont atteint environ 80%. Les monosulfures (MES) et disulfures organiques (DMDS) se sont montrés moins réactifs à l’ozone, puisque les conversions sont restées assez faibles (de l’ordre de 30% pour un ratio O3/soufrés similaire). Dans la gamme de conditions opératoires utilisées, ni l'humidité, ni le temps de résidence dans le réacteur n’ont montré d'influence considérable. La concentration d'ozone s’avère être le paramètre du procédé le plus influant, ayant un effet positif sur les taux de conversion des trois composés soufrés étudiés. Parallèlement, pour le DMDS, une augmentation de la température du réacteur a aussi amélioré la conversion. De manière globale, les taux de conversion les plus importants ont été obtenus pour les ratio O3/soufrés et la température du réacteur les plus élevés. A l’inverse, même lorsque les conditions de réaction les plus favorables ont été appliquées (température et concentration d’ozone les plus élevées), les aldéhydes se sont montrés non réactifs vis-à-vis de l’ozone. Malgré les faibles conversions obtenues, l’utilisation du SIFT/MS a permis d’identifier les principaux sousproduits de la réaction ozone-composés soufrés en phase gazeuse comme étant le méthyléthylsulfoxyde (MESO), le méthyléthylsulfone (MESO2), le diméthyl thiosulfinate (DMSOS), les isomères de diméthyl thiosulfonate (DMSO2S), le diméthyldisulfoxyde (DM(SO)2) et également le dioxyde (SO2) et le trioxyde de soufre (SO3). Le procédé de traitement des odeurs par ozonation directe des gaz en sortie de cheminée industrielle apparaît donc difficilement envisageable en raison de la faible efficacité d’élimination des composés malodorants démontrée dans nos essais. En revanche, cette technique couplée avec une absorption chimique pourrait s’avérer intéressante pour éliminer les nuisances olfactives avec une bonne efficacité / In the superphosphate-based fertilizers production process, the attack of phosphate rock by sulfuric acid generates odorous gaseous by-products. Although their emissions are within regulatory limits, superphosphate fertilizer plants are likely to cause odor nuisance to residents. This thesis proposes to study the feasibility of a process of odor treatment by ozonation in homogeneous gas phase. A first step of prioritization of the chemical compounds with the most important odorous potential has been realized. This ranking was established from a technical report provided by our industrial partner based on a campaign of olfactometric measurement and chemical characterization of the gases emitted by the chimney of a superphosphate fertilizer production plant. From the calculation of the odor activity value (OAV), two families of compounds were targeted: sulfur compounds - represented by hydrogen sulphide (H2S), ethylmethyl sulphide (MES) and dimethyl disulfide (DMDS) - and aldehydes (represented by propanal and butanal). Two analytical techniques (GC/FID and SIFT/MS) were applied in order to evaluate the elimination performance of these compounds, the difficulty of analyzing a gaseous matrix containing ozone having been demonstrated. Thus, ozone interference on GC/FID analysis of aldehydes has been identified. The SIFT/MS technique, in turn, required significant development. The ozonation of model gaseous effluents was carried out following the elimination of the target compounds under different operating conditions (residence time, reactor temperature, ozone concentration and moisture) in an experimental field compatible with the industrial constraints. The sulfur compounds exhibited high removal rates, particularly in the case of H2S, whose conversions reached about 80%. Organic monosulfides (MES) and disulfides (DMDS) were less reactive to ozone, as conversions remained quite low (around 30% for the same level of O3/sulfur ratio). In the range of operating conditions used, neither the moisture nor the residence time in the reactor showed considerable influence. The ozone concentration is the most influential process parameter, having a positive effect on the conversion rates of the three sulfur compounds studied. Meanwhile, for DMDS, an increase in reactor temperature also improved the conversion. Overall, the highest conversion rates were obtained for the highest O3/sulfur ratios and reactor temperature. Conversely, even when the most favorable reaction conditions have been applied (highest temperature and ozone concentration), the aldehydes have been inert to ozone. Despite the low conversions obtained, the use of SIFT/MS has identified the main by-products of the ozone-sulfur compounds gas phase reaction as methylethylsulfoxide (MESO), methylethylsulfone (MESO2), dimethyl thiosulfinate (DMSOS), isomers of dimethyl thiosulfonate (DMSO2S), dimethyldisulfoxide (DM(SO)2) and also sulfur dioxide (SO2) and trioxide (SO3). The odors treatment process by direct ozonation of the gases at the outlet of industrial chimney thus appears difficult to envisage because of the low efficiency of malodorous compounds elimination demonstrated in our tests. On the other hand, this technique coupled with chemical absorption could be interesting to eliminate the olfactory nuisances with a good efficiency