The aim of the diploma thesis was creating a decarbonisation model of lime, implementation the model into CFD tool ANSYS Fluent and to test the decarbonisation model in a model of a real reactor. The required model was based on assumptions for a Shrinking Core Model (SCM). The main objective of this work was the non-catalytic conversion of substances and the search for the most used mathematical models for calcination. The CFD calculation, the sensitivity analysis and the Fluente parametric study were used. Data on the composition of gas flow, temperature, pressure and mass flow of limestone particles were selected for input variables. The particle model called Multiple Surface Reactions (MSR), which is a standard part of Fluent, was used at first. Subsequently, a UDF which was based on the SCM assumptions was written in the programming language C. The results of the CFD calculation were compared with the experimental values from the dissertation. It has been found that the MSR is sufficiently precise for calculation purposes but neglects the internal diffusion of CO2 through the CaO layer which forms behind the reaction front during calcination. It was found that it is possible to solve the flow with ongoing calcination without the need to know the parameters of the Arrhenian equation if the UDF is used. The created UDF incorporates the influence of intraparticular CO2 diffusion on the overall reaction rate.

Cette étude s’inscrit dans le cadre du développement d’une nouvelle technologie de concentration du CO2 intégrée à la cimenterie. Le principe de cette technologie repose sur une décarbonatation de la matière crue par contact avec un solide caloporteur dans un procédé innovant qui conduit à un dégagement de CO2 pur à haute température. Ce CO2 pourra ensuite être stocké dans le sous-sol ou valorisé chimiquement. L’objectif de ce travail est d’étudier la décarbonation du cru dans les conditions opératoires qui simulent le plus fidèlement possible la nouvelle unité industrielle. D’abord, la cinétique de décarbonation est étudiée en thermobalance sur des échantillons de poudre de CaCO3 pur qui est le composé majoritaire du cru. Les résultats conduisent à une meilleure compréhension des phénomènes qui pilotent la réaction ainsi qu’à l’élaboration des lois cinétiques permettant de prédire l’effet de la température entre 600 °C et 930 °C, et de la pression partielle de CO2 entre 0 atm et 1 atm sur l’avancement de la réaction. Ensuite, les interactions pouvant se produire entre le CaCO3 et les autres solides qui composent un cru industriel, lors de sa calcination sous atmosphère de CO2 pur, sont étudiées sur le plan cinétique (thermobalance), thermodynamique (simulations) et morphologique (DRX et DRX in situ). Enfin, dans le but de simuler la décarbonatation du cru et son élutriation dans le procédé réel, et en particulier dans la partie basse du nouveau calcinateur, un pilote fonctionnant à chaud a été réalisé au cours de ce travail. Il permet d’effectuer la décarbonatation du cru alimenté en discontinu et en continu dans un lit de média fluidisé (clinker ou olivine). Ont été examinées les influences de la température, de la vitesse de gaz, du débit de solide et de la nature du gaz de fluidisation (CO2 pur ou mélange air/CO2) sur les phénomènes hydrodynamiques (élutriation, accumulation, temps de séjour …), les interactions cru-média et le degré d’avancement de la réaction de décarbonatation. / This study concerns a new CO2 concentration technology integrated into the cement plant. This technology consists in the raw mix decarbonation, induced by its contact with a solid medium in charge of the heat transfer, in an innovative process leading to the emission of pure CO2 at high temperature. This pure gas may be stored underground or used as chemical reactant. This work consists in the study of the decarbonation reaction of the raw mix in operating conditions that are similar to the ones of the new industrial unit. First, the decarbonation kinetics is studied by thermogravimetric analysis on pure CaCO3 powder samples. CaCO3 is the main component of the raw mix. The results led to a better comprehension of the phenomena driving the reaction kinetics and to the determination of kinetic laws in good agreement with the data obtained between 600 °C and 930 °C, and for a partial pressure of CO2 between 0 atm and 1 atm. Then, the interactions between the CaCO3 and the other solids in an industrial raw mix, occurring during its calcination in pure CO2 atmosphere, are studied kinetically (TGA), thermodynamically (simulations) and morphologically (XRD and in situ XRD). Eventually, an experimental device working at high temperatures was built for this study in order to simulate the decarbonation reaction of the raw mix and its elutriation in the real process. This device allows calcining the raw mix in a fluidized bed of media (clinker or olivine). The influences of the fluidized bed temperature, the fluidizing gas velocity, the solid feed rate and the fluidizing gas composition (pure CO2 or air/CO2 mixes) on the hydrodynamic phenomena (elutriation, accumulation, residence time …) , the raw mix-media interactions and the conversion degree are studied.

La thèse s’intéresse au contrôle de la température d’un front de combustion propagé dans un milieu poreux contenant du carbone fixe et des carbonates (CaCO3). L’objectif principal est de réduire la température, in situ (récupération d’huile ou production de gaz à partir d’un schiste bitumineux) ou dans un procédé (combustion de semicoke), afin de limiter la décarbonatation du milieu et les émissions induites de CO2. Le milieu réactif retenu pour réaliser les expériences en laboratoire est un schiste bitumineux préalablement broyé (0.5 à 2 mm) et pré-pyrolysé, appelé semicoke. Le front est propagé en co-courant. La première technique testée expérimentalement est l’ajout au semicoke d’un matériaux inerte (sable) et/ou d’un matériaux réactif (CaCO3) afin de faire varier le taux de carbone fixe et le taux de CaCO3 et ceci indépendamment. Nous montrons que l’augmentation de CaCO3 permet de baisser la température à 800 °C, mais pas en dessous, ce qui ne permet pas d’éviter la décarbonatation. Faire chuter le contenu en carbone fixe permet de baisser la température du front, voire d’atteindre l’extinction. Aux températures de propagation les plus basses, la décarbonatation est fortement limitée. En revanche le front ralentit car il n’utilise plus tout l’oxygène alimenté. La deuxième technique originale consiste à ajouter du CO2 (20 %molaire) dans l’air de combustion. Nous montrons que dans le cas d’un front chaud, ceci permet de réduire le taux de décarbonatation de 100% à 70%, et d’augmenter en parallèle la production de CO résultant de l’oxydation du carbone fixe, ce qui augmente le PCI du gaz produit. Sur un front plus froid, la décarbonatation qui était de 20% est totalement évitée par l’ajout de CO2. Enfin, des expériences sont proposées dans le mode de combustion “reaction trailing”, très peu connu et mis en oeuvre. Ce mode a l’intérêt majeur d’éviter les réactions de “Lower Temperature Oxidation” préjudiciables au rendement en huile ou en gaz d’un process in situ. Des expériences stables et répétables sont réalisées avec différents pourcentages d’oxygène dans le gaz alimenté. La température du front est directement liée à ce paramètre ; la décarbonatation est clairement limitée dans ce mode de propagation. Deux types de modélisation sont proposés. Un bilan de matière et d’énergie basé sur des expressions analytiques simples permet d’évaluer la température du front et sa vitesse de propagation. Un modèle numérique développé par l’IMFT se base sur des équations de transfert convectif/diffusif de chaleur et de matière, couplées aux réactions d’oxydation du carbone (en CO et en CO2) et de décarbonatation de CaCO3. Il décrit de façon très satisfaisante les expériences en mode “reaction leading” avec variation de la composition du milieu (première technique). / This PhD thesis focuses on the control of the smoldering front propagating in a porous medium containing fixed carbon and carbonates (CaCO3). The main objective is to reduce the front temperature, in situ (oil recovery or gas production from oil shale) or in process (combustion of semicoke), in order to limit the medium decarbonation and the resulting CO2 emissions. The reactive porous medium retained to realize the laboratory experiments is a crushed (0.5 to 2 mm) and pre-pyrolyed oil shale, called semicoke. The front propagates in co-current. The first technique experimentally tested is the addition to the semicoke of an inert material (sand) and/or a reactive material (CaCO3) to vary the contents of fixed carbon and of CaCO3, independently. We show that the increase of the CaCO3 content enables to reduce the temperature to 800 °C, but not below; this does not allow to avoid decarbonation. Bringing down the fixed carbon content enables to reduce the front temperature, see even to reach extinction. In the lowest temperatures of propagation, the decarbonation is strongly limited. On the other hand, the front slows down because it does not use all of the fed oxygen. The second original technique consists in adding CO2 (20 mol.%) to the oxidizer air. We show that for a hot front, the decarbonated fraction is reduced from 100% down to 70%, and the CO production at fixed carbon oxidation is increased; this leads to increase the LCV of the produced gas. For a cold front, the decarbonation which was 20%, is totally avoided by adding CO2. Finely, experiments are proposed in the “reaction trailing” combustion mode, little known and implemented. This mode has the major interest to avoid the reactions of “Lower Temperature Oxidation” prejudicial for oil or gas yields in in situ process. Stable and repeatable experiments are realized with different oxygen fractions in feeding gas. The front temperature is directly linked to this parameter; the decarbonation is clearly limited in this mode of propagation. Two types of modeling are proposed. A mass and thermal balance based on simple analytical expressions enables to evaluate the front temperature and velocity. A numerical model developed by IMFT is based on convective/diffusive heat and mass transfer equations coupled with the oxidation reactions (into CO and CO2) and CaCO3 decarbonation is proposed. It describes in a very satisfactory way the experiments in the “reaction leading” mode with variation of the medium composition (first technique).

Cette thèse est centrée sur la ceinture orogénique Attico-Cycladique formée durant l'orogénèse Alpine. Par une approche multi-méthodes et multi-échelles combinant géologie structurale, pétrographie, thermobarométrie des assemblages minéraux, géochimie élémentaire et isotopique, et données PVTX des inclusions fluides associées, ce travail vise à caractériser et comprendre les relations entre circulations fluides, interactions fluides/roches, déformation, et mobilisation-transport-dépôt des métaux. Les marbres et schistes de la péninsule du Lavrion et de l'île d'Eubée témoignent d'une évolution orogénique complexe marquée par une phase d'enfouissement à l'Eocène suivie par deux phases d'exhumation successives syn-et post-orogéniques. Les minéralisations de type Cu-Pb-Zn-Fe-Ag de la région du Lavrion sont synchrones de l’activation du détachement post-orogénique et de la mise en place de plutons de granodiorite. Leurs positions structurales témoignent d’un piégeage depuis un régime de déformation ductile jusqu'à fragile. Les minéralisations mises en place durant le régime de déformation ductile à ductile-fragile (skarn et remplacement de carbonate) sont associées à la décarbonatation des niveaux de marbres et à la circulation des fluides magmatiques. L'exhumation progressive de la racine orogénique se traduit par la transition des roches depuis une déformation ductile vers un régime fragile associé à l’ouverture du système aux fluides de surface et notamment aux fluides météoriques. Cette circulation est responsable d’une remobilisation des métaux des minéralisations primaires permettant alors une seconde phase de précipitation dans un régime cassant (veines épithermales) / This thesis is focused on the Attico-Cycladic orogenic wedge formed during the Alpine orogeny. From a multi-method and multi-scale approach using structural geology, petrography, mineral thermobarometry, element and isotope geochemistry, and PVTX data of associated fluid inclusions, this study deciphers the relationships between fluid circulation, fluid-rock interactions and mobilisation-transport-deposits of metals. Marbles and schists from the Evia Island and the Lavrion peninsula testify to a complex orogenic history marked by an Eocene burial phase followed by syn- and post-orogenic exhumation. Cu-Pb-Zn-Fe-Ag mineralisations from the Lavrion area are synchronous with the formation of the low-angle post-orogenic detachment and the emplacement of granodioritic magmas. The structural position of the deposits attests of an emplacement during ductile to brittle deformation conditions. Deposits associated with ductile to ductile-brittle deformation (skarn, carbonate replacement) are related to a marble decarbonation and magmatic fluid circulation. The progressive exhumation of the orogenic wedge allows the transition toward brittle conditions and opens the system to surficial meteoritic fluids. This meteoritic fluid circulation is responsible to remobilisation of metals from primary deposits allowing thus a second phase of deposition in a pure brittle deformation (epithermal veins)