Afin de permettre la mise en place d’une filière de valorisation du CO2 issu de l’industrie sidérurgique, cette étude a pour but de proposer un nouveau procédé de dépoussiérage des fumées de hauts fourneaux qui serait placé à la suite des filières actuelles de traitement pour améliorer leur épuration. L’originalité de la technologie retenue, un lit granulaire arrosé, permet de maintenir la perte de charge constante en facilitant le réentraînement en continu des particules collectées à l’aide d’un écoulement de liquide (formant un film à la surface des collecteurs) pour ainsi pallier le problème de colmatage. Une étude hydrodynamique et des mesures d’efficacité vis-à-vis de particules de diamètre compris entre 0,5 et 10 µm ont montré que la perte de charge et l’efficacité initiale augmentaient avec la diminution du diamètre des collecteurs, ce qui est en accord avec les résultats de la littérature pour des lits granulaires secs. La présence d’un filet d’eau augmente l’efficacité initiale de collecte au détriment toutefois d’une perte de charge plus élevée. Ces observations sont liées à la diminution de la porosité du lit lorsque ce dernier est arrosé par un débit d’eau. Un bon compromis entre perte de charge et efficacité a été trouvé avec un lit composé de 50 cm de billes de 5 mm de diamètre et un débit d’eau de 12 L.min-1 pour un débit de gaz à traiter de 20 m3.h-1. Des essais de colmatage longue durée ont mis en évidence que l’efficacité du lit reste globalement constante au cours du temps, à une valeur proche de la valeur initiale. La perte de charge, bien que supérieure en début d’expérience à celle d’un lit granulaire sec, se stabilise rapidement à une valeur bien plus faible que celle mesurée pour un lit sec pour une même masse de particules collectées. Les expériences ayant été menées sur 30 h dans des conditions défavorables, nous pouvons nous attendre à ce que dans des conditions réelles de fonctionnement la perte de charge soit stable sur des temps beaucoup plus longs. Ainsi la présence de l’eau remplit bien le rôle prévu en limitant l’évolution du colmatage du lit granulaire par le réentrainement des particules collectées par le lit. Cette étude s’est achevée par le développement d’un modèle permettant de déterminer la perte de charge et l’efficacité initiale d’un lit granulaire arrosé, ce qui a abouti sur un exemple de pré-dimensionnement à échelle industrielle / In order to enable the establishment of a CO2 recovery chain sector from the steel industry, this study aims to propose a new filtration device for the dust removal of blast furnace fumes that would be placed after the current treatment chain to improve their purification. The originality of the chosen technology, a trickle bed, permits to maintain a constant pressure drop by re-entraining continuously the particles trapped on collectors thanks to a water film flow to overcome the clogging problem. A hydrodynamic study and efficiency measurements lead with particles (in a range of diameters between 0.5 and 10 μm) showed that the pressure drop and the initial efficiency increase with the decrease of the collector diameter, which is in agreement with the results of the literature for dry granular beds. The presence of water increases the initial collection efficiency at the expense of a higher pressure drop. These observations are related to the decrease of the bed porosity in presence of a water flow. A good compromise between pressure drop and efficiency was found for an air flow rate of 20 m3.h-1, a liquid flow rate of 12 L.min-1 and using a 50 cm bed composed of glass beads of 5 mm diameter. Long-term clogging tests showed that the efficiency of the bed remains globally constant over time at a value close to the initial one. The pressure drop, although higher at the beginning of the experiment than that of a dry granular bed, stabilizes rapidly at a much lower value than that measured for a dry granular bed for the same mass of particles collected. The experiments have been carried out over 30 h under disadvantageous conditions, and we can expect that under real operating conditions the pressure drop will be stable over much longer times. Thus, the presence of water plays its part by limiting the clogging evolution of the granular bed by the re-entrainment of particles collected by the bed. This study was completed by the development of a model to determine the pressure drop and initial efficiency of a trickle bed, which resulted in an example of pre-sizing of a process on an industrial scale

Les particules ultrafines (PUF) sont de nos jours susceptibles de se retrouver massivement dans l’air des lieux de travail et dans l’environnement, notamment de par leur génération non-intentionnelle par certains procédés industriels. Du fait de la toxicité de plus en plus avérée de ces particules, l’air contaminé doit être extrait des lieux de travail et filtré avant d’être rejeté dans l’atmosphère. Les filtres classiquement utilisés sont des filtres à fibres plissés présentant l’inconvénient vis-à-vis des PUF d’être rapidement et irréversiblement colmatés. Afin de trouver une alternative à ces filtres, il a été décidé d’étudier les lits granulaires. Pour ce faire, la cinétique de colmatage des lits granulaires par des PUF a dans un premier temps été étudiée à l’échelle macroscopique et microscopique par suivi des évolutions des performances ainsi qu’en procédant à des observations de structure de dépôt. Evaluer la capacité des lits granulaires à se positionner en tant qu’alternative aux médias fibreux peut nécessiter la connaissance des performances des lits granulaires dans un grand nombre de configurations. Pour s’affranchir des expériences correspondantes, un modèle théorique de prédictions des performances des lits granulaires en cours de colmatage a été développé. Ce modèle a par la suite permis par une optimisation multicritère de trouver la configuration optimale d’un lit granulaire amélioré. Enfin, des essais préliminaires très prometteurs d’une manche granulaire permettant d’augmenter la surface de filtration et l’efficacité de collecte ont posé les bases d’une potentielle utilisation des lits granulaires pour la filtration de PUF dans l’industrie / The air of workplaces and the environment can be contaminated by ultrafine particles (UFP) coming mainly from a non-intentional generation emitted by some industrial processes. The toxicity of these particles being more and more admitted nowadays, the polluted air of the workplaces has to be extracted and filtered in order to protect the workers and the public, respectively. The commonly used filters are pleated fiber filters which are rapidly and sometimes irreversibly clogged by the UFP. In order to find an alternative to these pleated filters, it was decided to study the granular beds. To do so, the clogging kinetic of granular bed by UFP was studied. This was achieved by conducting both macroscopic and microscopic studies of the granular bed clogging consisting in the monitoring of the evolution of the performances and in performing visualizations of UFP deposit structures. Evaluate the ability of granular beds to be an alternative to fiber filters can require the knowledge of the granular bed performances evolution for a large number of configurations. In order to avoid the realization of the corresponding experiments, a theoretical model was developed. Then, this model permitted by a multi-criteria optimization method to find the optimal configuration of an improved granular bed. Finally, some preliminary and very promising tests of a cylindrical granular bed filter permitting to increase the surface filtration and the collection efficiency laid the groundwork of a potential use of granular beds for the industrial UFP filtration

La problématique de l’homogénéité de traitement mécanique et thermique d’un lit particulaire bi-disperse en tailles ou en densités dans un tambour tournant horizontal a été abordée. Dans la première partie, le mélange des billes sphériques millimétriques dans un tambour de type ‘tranche’ a été observé expérimentalement à l’aide des maquettes originales et simulé numériquement à l’aide d’un code commercial de type DEM. En ajustant le coefficient de frottement entre les billes, un accord satisfaisant a été obtenu entre les résultats des simulations et des expériences. Le lit a été globalement caractérisé par l’indice de ségrégation radial, la répartition des billes dans la couche frontale et l’angle de talus dynamique. Des phénomènes importants de ségrégation radiale et axiale ont été mis en évidence. Une réduction très significative de l’indice de ségrégation radiale a été obtenue dans le cas des ailettes multiples et longues par rapport au cas avec peu d’ailettes courtes ou pas d’ailettes. Dans la deuxième partie, le chauffage des billes par contact avec la paroi périphérique du tambour a été simulé par la méthode DEM. Des lits mono-disperse, bi-disperse (comme dans la partie 1), et à dispersion gaussienne ont été considérés. Les indices de ségrégation mécanique et thermique ont été comparés pour les différents types de lits et différentes configurations d’ailettes. L’intensité de la ségrégation thermique a été renforcée, dans l’ensemble, par la ségrégation mécanique et a été la plus forte pour le lit bi-disperses en densités. L’augmentation de la hauteur et du nombre des ailettes a considérablement amélioré l’homogénéité thermique du lit et la vitesse globale de chauffage / Product homogeneity issue during mechanical and thermal processing of a bi-dispersed bed with two particles’ sizes or two particles’ densities in a horizontal rotary drum was considered. In the first part, the mixing of milli-metric size spherical beads in a two-dimensional drum was simulated by means of a commercial discrete element software and optically observed in a specially designed laboratory scale device. The spatial distribution of the particles in the front bed section, the radial mechanical segregation index and the dynamic slope angle were analyzed. After adjusting the friction coefficient, the simulation results were close to the experimental ones. Important phenomena of radial and axial segregation have been highlighted. The radial segregation index was found to be significantly decreased by applying an important number of long baffles, while using few short baffles had practically no influence on segregation intensity. In the second part, the heating of the bed of spherical beads in a 2D drum with hot peripheral wall was simulated by means of the discrete element software. Mono-dispersed, gaussian-dispersed and bi-dispersed beds (same as in part 1) were considered. The mechanical segregation and the thermal segregation indexes were calculated for the different types of bed and for different baffles configurations. The thermal segregation was found to be generally enhanced by the mechanical segregation and reached its highest values for the bi-density bed. Increasing the number and the length of the baffles considerably improved the overall heating rate and the thermal homogeneity of the considered beds