Etude de la destruction thermique des polluants gazeux issus du sechage du lisier de porc

This research project deals with a very current problem: pig manure treatment.

Hog production is growing very quickly and spreading manure is not an environmental solution since pig manure has a strong odour and contaminates surfaces and groundwaters (with excess of nutriments N, P, K).

New solutions have to be found to reduce the manure quantity to be spread.

A unit was built at the CTGN (Centre des Technologies du Gaz Naturel) to dry pig manure. The drying gases are burnt by natural gas combustion. The combustion has two main goals: destroy organic pollutants and heat the drying air. The operation is cost-effective by the combined use of natural gas for drying and pollution control.

The first part of this work was to study the combustion efficiency of the unit built at the CTGN. Temperature and gas residence time influence was studied with the DRE (Destruction Removal Efficiency) of a model compound, phenol. An experimental plan was used. The results showed a very low DRE of about 30%. In fact, several parameters, important for good combustion, were not optimised, such as mixing. Due to the tangential entry, gases were not directly in contact with the flame.

In the second part of this work, we tried to solve these problems and to improve the phenol DRE by modifying the design. A new gas injection system was proposed: a ring, which injects gas directly in contact with the flame. A smaller unit, more flexible, was built at Ecole Polytechnique. A model of phenol destruction was developed under different conditions.

Good destruction efficiencies were attained ($>$90%) with small residence times (0.3 s). We found that water stimulates phenol destruction due to the increase free radical concentration. Moreover, we confirmed the order of phenol destruction to be one, as shown by other workers.

Alternate abstract:

Le projet se situe dans un contexte actuel très problématique : le traitement du lisier de porc.

La croissance des élevages de porcs et la pollution engendrée par l'épandage du lisier créent de graves problèmes environnementaux (odeurs très désagréables et pollution des sols et des nappes phréatiques avec les surplus d'azote et de phosphore contenus dans le lisier).

Ces problèmes de plus en plus critiques obligent les chercheurs et les éleveurs à envisager de nouvelles solutions pour réduire la quantité de lisier à épandre.

Ainsi, une unité de séchage en lit à jet avec traitement thermique des odeurs et COV (composés organiques volatils) a été réalisée au CTGN (Centre des Technologies du Gaz Naturel). Le traitement thermique a deux objectifs : détruire les polluants gazeux issus du séchage et produire l'énergie nécessaire pour préchauffer l'air de séchage. On abaisse ainsi le coût de fonctionnement relié à la consommation de gaz naturel.

Dans un premier temps, une étude de l'efficacité du traitement thermique de cette unité a été menée. En étudiant, la DRE (destruction removal efficiency) pour un composé modèle (le phénol), on a voulu mettre en évidence l'influence de la température et du temps de résidence des gaz grâce à un plan expérimental factoriel complet. L'échelle semi-industrielle et les contraintes de fonctionnement de cette unité ont permis de mettre en évidence une DRE faible (30%). En effet, l'alimentation des gaz de séchage se fait de façon tangentielle ce qui résulte en un mauvais mélange des gaz avec l'air comburant.

Dans une deuxième partie, un nouveau montage a été réalisé afin de supprimer les problèmes inhérents au premier design. H a été proposé un nouveau design du système d’injection des gaz : il consiste en un anneau (qui ceinture la flamme) dont les orifices d’injection sont orientés de telle façon que les gaz entrent en contact direct avec la flamme.

On a, ainsi, évalué l'influence de la teneur en eau dans les gaz sur la destruction thermique du phénol en mettant au point un modèle cinétique dans un réacteur de type piston non isotherme. Des prélèvements de phénol en phase gazeuse ont été réalisés pour différents temps de séjour et différentes teneurs en eau dans les gaz de combustion. Cette étude a permis de montrer que la destruction thermique du phénol est possible et qu’elle atteint des DRE élevées (>90%) pour de faibles temps de séjour (environ 0.3 s).