Thèse de doctorat : Chimie : Lille 1 : 2002. / N° d'ordre (Lille) : 3049. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. p. 383-393.

La combustion est utilisé dans l’industrie chimique et du traitement des minéraux dans le but de produire de la vapeur dans les chaudières, de sécher les concentrés dans les fours rotatifs, et d’appliquer des traitements thermiques dans les fours pyrométallurgiques. Le contrôle serré de la combustion dans ces fours est très important parce que les conditions de combustion affectent directement la qualité du produit fini. Arriver à un contrôle serré de la combustion n’est pas facile à cause du fait que les flammes qu’on retrouve dans ces industries sont obtenues avec des combustibles non pré-mélangés et aussi parce que la combustion est affectée par des perturbations non-mesurées comme l’utilisation fréquente de plusieurs combustibles, certains étant des sous-produits de l’usine, et de débit et composition variables. Une nouvelle méthode est proposée dans cette étude afin d’améliorer le contrôle de la qualité des produits de ces fours tout en réduisant la consommation de carburants. Cette méthode s’appuie sur l’extraction d’information provenant d’images de flammes. La méthode d’analyse et de régression sur les images multivariées est utilisée pour l’extraction des caractéristiques de couleur de la flamme qui sont ensuite utilisées pour prédire la température de décharge des solides d’un four rotatif (qualité). Cette étude démontre que cette méthode est capable de très bien prédire la température de décharge du solide 20, 40, et jusqu’à 80 minutes dans le futur. Ceci devrait permettre une réduction substantielle de la variabilité de la qualité du produit et de la consommation de combustible. / Combustion is used throughout the mineral processing industry to produce steam in boilers, to dry concentrates in rotary dryers, and to apply heat treatments in pyrometallurgical furnaces. Tight combustion control is very important in the latter type of furnace since the combustion conditions directly affect final ore quality. However, achieving tight combustion control is not straightforward since most of the flames encountered in industry are turbulent non-premixed flames, they are affected by several unmeasured disturbances, various flow rates, continuous variation in the mix between fuels since they are often produced by simultaneously burning several types of fuel, some of them coming from other parts of the plant. A novel method is proposed in this study to improve process and product quality control as well as to optimize the combustion conditions based on digital flame color images. Multivariate Image Analysis and Regression is used to extract the flame color characteristics from images to predict the solids discharge temperature of an industrial rotary kiln related to product quality. It is shown that this method yield extremely good 20 minutes, 40 minutes as well as 80 minutes ahead forecasts of the discharge temperature of mineral ore. This should lead to a substantial reduction in product quality variability as well as in fuel consumption.

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.