Modeling on-grate MSW incineration with experimental validation in a batch incinerator

This Article presents a 2-D steady-state model developed for simulating on-grate municipal solid waste incineration, termed GARBED-ss. Gas-solid reactions, gas flow through the porous waste particle bed, conductive, convective, and radiative heat transfer, drying and pyrolysis of the feed, the emission of volatile species, combustion of the pyrolysis gases, the formation and oxidation of char and its gasification by water vapor and carbon dioxide, and the consequent reduction of the bed volume are described in the bed model. The kinetics of the pyrolysis of cellulosic and noncellulosic materials were experimentally derived from experimental measurements. The simulation results provide a deep insight into the various phenomena involved in incineration, for example, the complete consumption of oxygen in a large zone of the bed and a consequent char-gasification zone. The model was successfully validated against experimental measurements in a laboratory batch reactor, using an adapted sister version in a transient regime. © 2010 American Chemical Society

Analyse du Cycle de Vie de la filière hydrogène énergie – Première étape : définition des objectifs et du champ de l'étude

National audienceDans le contexte actuel de pollution atmosphérique, de démocratisation de l'énergie et d'épuisement des ressources fossiles, le Groupement des Ecoles des Mines (GEM) s'est lancé dans la recherche d'une filière énergétique propre et renouvelable dans le secteur du transport: la production à partir de biomasse, le stockage et l'utilisation de l'hydrogène dans une pile à combustible « Polymer Exchange Membran Fuel Cell ». Le GEM, souhaitant connaître les performances environnementales de cette filière tout le long de son cycle de vie, a commandité la réalisation d'une Analyse du Cycle de Vie (ACV) de cette filière. Cette ACV compare d'un point de vue environnemental la filière hydrogène à la filière essence et à la filière bioéthanol (issu de la biomasse lignocellulosique et reformé pour obtenir de l'hydrogène). La première étape de cette ACV a été effectuée, elle consiste en la définition des objectifs et du champ de l'étude. Deux finalités ont, tout d'abord, été déterminées : - dans un premier temps, la sélection d'une filière énergétique par rapport à ses performances environnementales - dans un second temps, l'amélioration de la filière hydrogène développée par le GEM grâce à l'identification de ses points forts et faibles. Le système « motorisation d'une voiture citadine » a, ensuite, été choisi comme objet de l'étude. L'unité fonctionnelle choisie pour quantifier les performances de ce système est la quantité de carburant consommée pendant toute la durée de vie du système. Le système de référence choisi est le moteur essence puisqu'il s'agit du système présentant les meilleures performances à l'heure actuelle (les filières hydrogène et bioéthanol n'étant qu'au stade de développement). Dès lors, la durée de vie du moteur à explosion est déterminée par 150 000 km parcourus pendant 12 ans. Puis, pour fixer les frontières de chacun des trois systèmes, un arbre des processus ou diagramme de flux a été réalisé, suivi d'un bilan matière et énergie « théorique » pour chaque processus élémentaire (éléments constitutifs du système). Puis en fonction des règles de décisions fixées (selon trois critères masse, énergie et pertinence environnementale), les flux et les processus élémentaires à étudier seront sélectionnés. Pour l'instant, les frontières ont été déterminées pour la filière hydrogène. La deuxième étape de l'ACV a également été entamée, il s'agit de « l'analyse de l'inventaire et les bilans matière et énergie » réalisés à partir des données obtenues expérimentalement pour cette même filière

An in situ turbidimetric sensor for measuring solid concentration profiles in a stirred tank

International audienceLocal solid concentration profiles were investigates in a contoured bottom cylindrical reactor, mechanically stirred by a 45 pitche blade turbine and equipped with baffles. The solid-liquid system was formes by watter and spherical glass beads or alumina powder. The effect of stirring rate and physical properties of solid were examined and compared with profiles given by the litterature

Pile à combustible, production d'hydrogène à partir de biomasse, stockage d'hydrogène sur carbones nanostructurés, analyse du cycle de vie : un projet du groupe des Ecoles des Mines en génie des procédés, énergie et environnement (GEM GP E2)

International audienceLes équipes de différents centres de recherche des Ecoles des Mines, impliquées dans les domaines liés à la filière hydrogène, se sont regroupées au sein du Groupe des Ecoles des Mines en Génie des Procédés, Energie et Environnement (GEM GP E2). Le projet H2-PAC mis en place, a ainsi permis de regrouper les compétences de ces équipes pour aborder de manière plus efficace les quatre problématiques suivantes : les piles à combustible à membrane échangeuse de protons, la production d'hydrogène à partir de biomasse, le stockage d'hydrogène sur matériaux carbonés nanostructurés et l'analyse du cycle de vie. Dans chacun de ces thèmes des progrès ont été enregistrés et les équipes se sont mutuellement enrichies de nouvelles connaissances. Le projet a dans l'ensemble permis de créer des liens entre les différentes équipes impliquées, qui permettront de futures collaborations et la concrétisation de nouveaux projets

Solid Particles Concentration Profiles in an Agitated Vessel

International audienceocal solid concentration profiles were investigated in a contoured bottom cylindrical reactor, mechanically stirred by a 45° pitched blade turbine and equipped with four baffles. The solid-liquid system consisted of a suspension of spherical glass beads or alumina grains in water. The effects of the stirring rate and of the size and density of the solid particles were examined. To interpret the solid distribution profiles in the vessel, a one-dimensional sedimentation dispersion model was employed. The description was based on the continuity equation and made use of the experimental knowledge of the flow velocity distribution of the liquid phase and of the calculated terminal velocity in a still medium of the solid particles

Modeling kinetics of Cd, Pb, and Zn vaporization during municipal solid waste bed incineration

The fate of heavy metals contained in municipal solid waste is of major concern in the incineration process. This study is the first attempt to analyze the kinetic behavior of Cd, Pb, and Zn in a waste bed burning on the grate of an incinerator. The vaporization rates of the three heavy metals were derived from laboratory experiments. The kinetic law was then introduced into Garbed-ss, a mathematical model of the on-grate incineration of a refuse bed. Results show that the calculated vaporization of the three metals is fast, proceeds to nearly full completion, occurs at the pyrolysis front, and is indeed controlled by the thermal degradation of the waste. Alhough in agreement with thermodynamic calculations, the vaporization of lead and zinc seems to be overestimated. The model would be improved by accounting for the initial physical and chemical speciation of the heavy metals in the waste feed. © 2010 American Chemical Society

Development of the regionalised municipal solid waste incineration (RMWI) model and its application to France

International audiencePurpose: Incineration is mainly studied when municipal solid waste (MSW) treatment options are assessed in life cycle assessment case studies. A variety of incineration models have been used to create life cycle inventories (LCIs), but they often do not represent the technology and input waste composition of a given incineration situation. This article describes development of the regionalised municipal solid waste incineration (RMWI) model designed at the city-to-country level and its application to French MSW incineration. Methods: RMWI is based on previously published incineration models from the ecoinvent database and Koehler et al. (Environ Sci Technol 45:3487'3495, 2011). Its system boundaries include furnace, gas-treatment steps, transport and management of by-products (e.g. clinkers, residues from cleaning flue gas, scrap). Its first strong point is the ability to adapt input waste composition. Its second strong point is that MSW collection and energy, scrap and clinker recovery options are modelled as stocks. Thus, users may adapt RMWI for the types of waste input and regional outlets for energy and matter recovery. French data were used in the model for MSW input composition, emission limits of some exhaust gases and transport distances of by-products. The method used to the collect these data is described so it can be reproduced for another region. Results and discussion: The RMWI model is designed in GaBi 6. Environmental impacts predicted by RMWI for France are assessed to identify hot spots and input parameters with high influence. Chemical production for gas treatments was identified as a major contributor to abiotic depletion, whilst NH3 and NOx emissions were mainly responsible for acidification and eutrophication. In a second approach, the consideration of the recovery of by-products as heat, electricity, clinker, iron and aluminium scraps aims at understanding their contributions to environmental impacts. Sensitivity analyses were performed to determine to what extent RMWI predictions are sensitive to French incineration conditions. Comparison to generic LCI approaches highlighted merits of a regionalised model, especially concerning the type of gas treatment. The RMWI model effectively links input waste composition and environmental impacts. Conclusions: RMW-predicted impacts, representation of stocks, sensitivity analyses and comparison to generic approaches were assessed to examine the model's relevance, robustness and limits. The model is now available for French incineration but also can be used to assess environmental impacts of an incineration plant or another regional (city-to-country) incineration situation by adapting and calibrating it. © 2017 Springer-Verlag Berlin Heidelber

LCA of energy - bioethanol and hydrogen pattern for transportation

Communications par affiche dans un congrès national : Poster, SETAC Europe 200