Le traitement de déchets industriels est devenu une nécessité de plus en plus pressante. Cela a entraîné le développement de plusieurs technologies qui sont actuellement disponibles. Cependant, face aux exigences environnementales et gouvernementales sans cesse plus sévères, le développement de procédés plus performants devient impératif. Les lits fluidisés, en général, possèdent plusieurs atouts pour le traitement thermique des déchets organiques solides finement divisés ou même des boues. Ils ont l'avantage de détruire la matière organique tout en produisant moins de polluants gazeux. Le Lit Fluidisé avec Circulation Interne, LFCI, renferme tous les atouts des lits fluidisés et a l'avantage d'être compact, englobant l'action de différentes unités opératoires:​ réacteur et séparateur gaz-solide. Il est utilisable comme unité mobile et est capable de traiter les déchets de différentes sources. Il offre, ainsi, une technologie prometteuse pour le traitement de déchets sur site, ce qui est un moyen pratique de réduire les coûts tout en satisfaisant aux exigences environnementales. Le présent travail se situe dans le cadre du développement d'un procédé LFCI pour le traitement thermique de déchets solides industriels.

Lors du traitement thermique, la destruction du déchet est généralement accompagnée de la production des gaz polluants nuisibles à l'environnement. Ainsi, la performance d'une unité de traitement thermique s'évalue par deux facteurs-le degré de destruction du déchet et la qualité des émissions gazeuses. Ces facteurs sont largement fonction des variables telles que les conditions opératoires et caractéristiques géométriques. Une étude adéquate sur l'effet des ces variables permet le développement et l'opération optimale du LFCI. La modélisation et l'expérimentation sont des outils appropriés et complémentaires. La modélisation simule le fonctionnement du LFCI par un code informatique, lequel est utilisé pour étudier les effets de différentes variables sur la performance de l'unité. L'expérimentation sert d'une part à démontrer la faisabilité technique et d'autre part à valider la modélisation. Cette thèse a comme objectif la modélisation et la simulation du LFCI pour le traitement thermique de déchets industriels afin d'élaborer certains critères et stratégies utiles pour le design et l'opération d'une unité commerciale. Pour ce faire, la méthodologie suivante est considérée (1) analyse du procédé afin de déterminer des hypothèses et des simplifications, (2) élaboration d'équations mathématiques basées sur les phénomènes d'échanges - hydrodynamique, transfert de chaleur et de masse ainsi que la cinétique de réaction, (3) résolution des équations, simulation et analyse des résultats, (4) validation à l'aide des observations expérimentales.

Un modèle mathématique prédictif est d'abord développé pour simuler principalement la conversion, la concentration de l'oxygène, le temps de séjour, la porosité et la vitesse des particules le long du tube de montée. Les paramètres d'entrée sont les débits du gaz et du solide, le taux de circulation ainsi que les propriétés physiques des différentes phases. Le modèle inclut un système de réaction très simple, constitué d'une seule réaction hétérogène. Les données expérimentales pour la validation de ce modèle proviennent du traitement thermique du sable de fonderie comme déchet représentatif. La validation de ce modèle se compare d'une manière satisfaisante aux observations expérimentales.

Ensuite, le modèle proposé est modifié pour calculer les concentrations des polluants gazeux, soit CO, CO₂, NOx, N₂O, SO₂ et O₂. Le système de réaction qui suppose la formation de volatiles et du char, comprend une vingtaine de réactions homogènes et hétérogènes. Ces réactions, tirées d'une recherche bibliographique approfondie, se rapportent au carbone, à l'azote, l'hydrogène, l'oxygène et le soufre contenus dans le déchet. Il est montré que les produits solides composant le lit fluidisé joue un rôle capital dans la formation et la réduction des émissions gazeuses. Le modèle hydrodynamique cœur-anneau est utilisé pour le tube de montée afin de tenir compte de l'effet des réactions rapides.

Enfin, le modèle qui a été validé pour le traitement de sable de fonderie, est utilisé pour faire une analyse paramétrique puis pour faire ressortir des critères ou stratégies nécessaires au design et à l'opération du LFCI. Les simulations sont faites pour analyser la performance du réacteur en présence de différents variables opératoires et géométriques ainsi que pour différentes propriétés physiques et chimiques du déchet. Les simulations démontrent que le taux de circulation, les débits du gaz et du solide, le diamètre du tube de montée, la température active dans le lit et les propriétés du déchet sont des variables qui affectent beaucoup la performance du LFCI. Ce travail fait ressortir un paramètre critique pour le design et l'opération— le rapport entre le débit du solide en circulation interne à celui du solide alimenté.

Treatment of industrial wastes has become an increasingly pressing need, which has led to the development of several treatment technologies in use today. However, the development of more performing processes becomes imperative due to the unceasingly stricter environmental and governmental regulations. In general, fluidized beds possess many benefits for thermal treatment of organic solid wastes, finely divided wastes or even sludge. They have the advantage of destroying the organic material while producing less gaseous pollutants. The Internally Circulating Fluidized Bed, ICFB, maintains all the characteristics of fluidized beds, and has the advantage of being shorter and more compact, combining some unit processes-reaction and gas-solid separation. It is favorable as a mobile unit, able to treat wastes of various sources. Therefore, it offers a very promising technology for on-site treatment as a means to reduce costs while meeting environmental requirements. This work lays within the framework of developing a process for the treatment of industrial solid wastes.

Destruction of waste through thermal treatment generally occurs with the generation of gaseous pollutants. Hence, the performance of any thermal treatment unit is best evaluated with two factors-the degree of waste destruction and the quality of gaseous emissions. These factors depend strongly on variables such as operating conditions and design parameters. Development and optimal operation of IFCB relays on proper investigation of the effect of different variables. In this respect, modeling and experiments are appropriate and complementary tools. Modeling substitutes the ICFB operation with computer code, which then serves to study the effects of different variables. Experiment, however, is used to show technical feasibility and to validate the model. This thesis aims at modeling and simulation of the ICFB for thermal treatment of industrial waste in order to set out certain criteria and strategies useful for design and scale-up. Thus, the following methodology is employed:​ (1) analysis of the process in order to determine assumptions and simplifications, (2) development of mathematical equations based on the system's transport phenomena:​ hydrodynamics, heat and mass transfer as well as the kinetics of reaction, (3) solution of the equations including simulations and analysis of the results, (4) validation with experimental data.

A predictive mathematical model is initially developed to predict conversion, concentration of oxygen, residence time, voidage and sectional average particle velocity along the riser. Input parameters are feedrates of gas and solid, solid circulation flux and physical properties of different materials. The model is made with a very simple reaction system, which contains a single heterogeneous reaction. Experiment with spent foundry sand is undertaken in order to assess the validity of the model. The model predictions compare satisfactorily with experimental data.

Then, the proposed model is modified to calculate the concentrations of the gaseous pollutants, namely CO, CO₂, NOx, N₂O, SO₂, and O₂. The system of reaction, which assumes the formation of volatile and char, incorporates a number of homogeneous and heterogeneous reactions. An extensive literature review yielded reactions related to carbon, nitrogen, hydrogen, oxygen and sulfur. It is shown that bed materials play a major part in the formation and reduction of gaseous emissions. The core-annulus model is used for the riser to account for the effect of fast reactions.

Finally, the model which was validated for treatment of spent foundry sand, is used to make parametric analysis and set forth some approaches for an eventual scale-up. Simulations are performed to analyze the behavior of the reactor against different operating and design variables as well as waste properties. Simulations reveal that the variables most affecting the ICFB performance are solid circulation flux, gas and solid flowrates, riser diameter, working bed temperature and waste properties. In this work, the ratio of solid circulation flowrate to feedrate is recognized as a critical parameter for design and operation.