Etude de la dispersion atmosphérique des effluents émis par les cheminées de la cimenterie de Meftah

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1 10 ème Séminaire International sur la Physique Energétique 10 th International Meeting on Energetical Physics Etude de la dispersion atmosphérique des effluents émis par les cheminées de la cimenterie de Meftah Benkoussas Bouzid 1, Bouhdjar Amor 2 et Mammeri Amryd 1 1 Ecole Nationale Polytechnique, 10 Avenue Hassen Badi El-Harrach, Alger, Algérie bbenkoussas@yahoo.fr ; bouzid.benkoussas@enp.edu.dz ; Fax: (021) C.D.E.R Bouzereah, Alger, Algérie Résumé Ce présent travail consiste en l étude de la dispersion atmosphérique des effluents émis par les cheminées industrielles en générale et en particulier par les cheminées de la cimenterie de Meftah. Une simulation numérique de la dispersion des particules émises par les cheminées a été réalisée à l aide du code CFD Fluent. L influence du rapport (R) de la vitesse du jet sur celle latérale du vent, de la hauteur de la cheminée et de la rugosité du milieu sur la dispersion des particules du panache éjecté a été étudiée. L étude a mis en évidence l étendue de la dispersion en relation avec ces paramètres. Ainsi, les risques réels imputés aux rejets de la cimenterie ont été identifiés. Le résultat obtenus est déterminant quand à la prise de décision relative à l amélioration des systèmes de filtrage afin de diminuer considérablement les rejets de poussière et ainsi préserver l environnement. Mots clés : Dispersion atmosphérique, pollution, modélisation numérique. I. INTRODUCTION Le problème des effluents dégagés par les cheminées industrielles, que ce soit les gaz résultants de la combustion des hydrocarbures ou les particules solides, constitue dans certaines zones un risque majeur aux citoyens compte tenu de leurs effets sur leur santé (maladies et complications respiratoires). Bien que Certaines installations industrielles aient été dotées de filtres pour minimiser l étendue de l impact sur l environnement, il demeure que le problème reste encore préoccupant du fait que les particules fines ne peuvent pas être empêchées de s évacuer dans l atmosphère. Une étude préalable de la dispersion et de la propagation de ces effluents à la sortie de la cheminée en fonction des conditions climatiques permettra de mieux comprendre les mécanismes physiques influençant ces phénomènes. Elle permet de proposer des solutions pour prendre en charge le risque de ces effluents sur la population environnante. Ce travail est réalisé numériquement. Les codes de calcul numériques utilisés pour la détermination des champs de dispersion continue ou instantanée de polluants par les cheminées industrielles, sont des outils d aide à la décision, leur résultat permet de déterminer les zones à risques, par conséquent, le choix de l emplacement d une usine. Cette étude permet aussi de réaliser un paramétrage de l influence des paramètres tels que la vitesse du vent, la hauteur de la cheminée, la rugosité du milieu sur le phénomène de dispersion. Les travaux antérieurs effectués dans ce domaine ont concernés la détermination de l influence de la hauteur de la cheminée et la présence d obstacles sur le phénomène de dispersion par l utilisation de maquettes expérimentales ou numériquement à travers l utilisation des modèles de Gauss ou Intégraux. Smith et Frankenberg [1] ont démontré que la hauteur des cheminées influe sur la dispersion dans les cas d inversion thermique, lorsqu un polluant est émis par une basse cheminée débouchant sous la couche d inversion thermique, une accumulation de ce dernier en dessous de celle-ci est observée, par contre si la cheminée débouche au dessus de celle-ci les polluants diffusent normalement. La connaissance du comportement d un écoulement turbulent sur un obstacle représentant une caractéristique topographique simple est essentielle. Les nombreux travaux réalisés, en particulier ceux de Wilson [2] et de Vincent [3] qui ont simulé la couche limite atmosphérique dans une soufflerie qui devient par la suite un outil important dans l étude de la dispersion et le transport des polluants qui utilise de petits modèles réduits ont mis en Journal of Scientific Research N 0 vol. 1 (2010) 39

2 évidence l influence des obstacles sur le phénomène de dispersion des polluants. II. EQUATIONS MATHÉMATIQUES Les équations fondamentales moyennées ci-dessous constituent l essentiel des équations mathématiques utilisées par le code. été variée jusqu à 150 m. Le domaine a été choisi en fonction de l extension de la ville. Il est représenté dans la figure 1 pour le domaine géométrique et dans la figure 2 pour le maillage. Les maillages, structuré pour les faces limitant le domaine, et non structuré pour le reste du volume ont été adoptés. La géométrie est un parallélépipède représentant l atmosphère ambiante qui contient une cheminée au point (0, 0, Z). Equation de continuité (1) Equation de conservation de quantité de mouvement Equation de conservation de l énergie (2) (3) Figure 1. Domaine géométrique Equation de conservation des espèces (4) La fermeture du système d équations nécessite de définir les deux équations de énergie cinétique turbulente et du taux de dissipation de cette énergie turbulente. Figure 2. géométrie et maillage du domaine (5) (6) Le modèle de turbulence choisi est le modèle k-ε étendu. III. GEOMETRIE DU DOMAINE DE CALCUL ET CONDITIONS AUX LIMITES Le domaine d étude concerne l installation industrielle de production de ciment de la ville de Meftah et la région environnante y compris l agglomération de Meftah. Ce domaine a une longueur de 2700 m, une largeur de 1400 m et une hauteur de 300 m. l usine avec sa cheminée est situé à l une des extrémités du domaine. La hauteur de la cheminée est fixée à 60 m. Le diamètre de sortie a été fixé à 1 m. Puis dans le but d étudier l effet de la hauteur de la cheminée, elle a Figure 3. Limits du domaine de calcul Les conditions aux limites ont été attribuées pour les différentes faces constituants le domaine d étude. Elles sont résumées dans le tableau 1. Tableau 1. Conditions aux limites CL Détails Entreé (E) Vitesse CL sur la vitesse d entrée dans le VC Sol Paroi CL de type paroi pour le sol Sortie (S) Pression de sortie La totalité de l écoulement sortira par cette frontière Ejection Vitesse CL sur la vitesse d éjection du mélange (air/gaz) Parois Parois Parois de la cheminée Journal of Scientific Research N 0 vol. 1 (2010) 40

3 Pour mener les simulations numériques, le logiciel de CFD, Fluent est utilisé. Nous avons considéré les hypothèses suivantes : (1) les particules qui représentent les effluents sont constituées de particules de CO 2 et sont éjectées à la température de 400 K. Les particules les plus dangereuses pour la santé sont celles dont le diamètre est inférieur à 2.5 microns. De telles particules se comportent quasiment comme un gaz [4], donc le mélange éjecté est constitué d air et de particules de CO 2 ; (2) l écoulement est moyennement stationnaire ; (3) l'approximation de Boussinesq pour la loi de variation de la densité en fonction de la température est introduite ; (4) les chaleurs spécifiques sont supposées constantes ; (5) la loi de mélange pour les chaleurs spécifiques des deux fluides (air+co 2 ) est utilisée. Pour la discrétisation des différentes équations, les schémas de discrétisation du second ordre sont utilisés. IV. RESULTATS ET INTERPRETATIONS Les résultats concernent l influence de la vitesse du vent, de la hauteur de la cheminée ainsi que de la rugosité du sol sur la dispersion atmosphérique du gaz. A. Influence de la vitesse du vent Pour étudier l influence de la vitesse du vent sur la dispersion atmosphérique des l effluents, nous avons introduit un rapport de vitesse (R) liant la vitesse d éjection des effluents à la vitesse du vent. Le rapport (R) est déterminé par rapport à une vitesse d éjection fixe de 5 m/s et une vitesse horizontale du vent variant entre 2,5 et 25 m/s. En fonction de ce rapport les résultats de la dispersion ont été obtenus dans une zone proche de la cheminée (Fig. 4). Dans cette figure, nous présentons la fraction massique (équivalente à une concentration) du CO 2 en fonction des différents rapports de vitesse. On remarque que la dispersion est plus marquée pour les rapports (R) plus grands. Les particules forment une bande plus large et elles se dispersent au voisinage de la sortie de la cheminée et à l aval de la cheminée. L effet du vent latéral sur le comportement des particules est nettement observable quand (R) varie. Nous remarquons aussi que la hauteur atteinte par les particules au voisinage de la sortie est plus importante pour les rapports (R) plus grands. Ceci peut s expliquer par le fait que le vent latéral au contact des particules se chauffe et monte ainsi il entraine avec lui les particules, puisque le vent est à la température atmosphérique et les particules sortent à une température de 400 K. La figure 5, montre mieux ce phénomène à travers les champs de vitesse. Figure 4. Evolution du panache à la sortie de la cheminée pour différents rapports, (h=60m) Dans la figure 5, nous montrons l interaction entre l écoulement vertical (jet) et l écoulement transversal (vent) pour un rapport de vitesse (R) égal à 2. A ce rapport (vitesse du jet égal deux fois celle du vent) la quantité de mouvement et l énergie thermique du gaz éjecté prédominent, l influence du vent n est remarquée qu à une certaine hauteur loin de la sortie de la cheminée. Les vecteurs vitesses du jet et du vent deviennent horizontaux dans la zone de faible concentration en particules. Figure 5. Vitesses à la sortie de la cheminée pour R=2, (h=60m) Journal of Scientific Research N 0 vol. 1 (2010) 41

4 Dans la figure 6, la dispersion du polluant en aval de la cheminée est influencée par la dilution avec l air de l atmosphère. On remarque que, plus le rapport est faible, moindre la dispersion des particules l est et le maximum de sa concentration est observé au voisinage de la cheminée ; la vitesse élevée du vent latéral favorise la dilution. Le dépôt des particules se fait dans la zone plus proche de la cheminée pour les rapports faibles. Les polluants tombent dans ces zones avec une concentration relativement élevée, (figure 7). Cette situation peut se révéler un cas délétère pour une agglomération qui se situe à proximité de la cimenterie et c est le cas de la ville de Meftah. B. Influence de la hauteur de la cheminée L optimisation de la hauteur d une cheminée industrielle est cruciale. Elle permet d identifier les limites d émissions autorisées par la législation. Selon la nature, le type, le débit d éjection d un polluant plusieurs hauteurs de cheminée peuvent êtres considérées. Pour étudier l influence de la hauteur d une cheminée sur la dispersion des particules rejetées, nous avons expérimenté numériquement trois hauteurs, 60, 100 et 150m pour le rapport (R=2). L évolution de la dispersion des polluants en fonction de ces trois hauteurs est présentée dans la figure 8. Figure 6. Dispersion des polluants pour différents rapports de vitesse (R), (h=60m) Figure 7. Dépôt des particules polluantes en aval de la cheminée pour différents rapports (R), (h=60 m) Figure 8. Dispersion du Polluant pour des cheminées de différentes hauteurs et pour R=2. Journal of Scientific Research N 0 vol. 1 (2010) 42

5 On montre d après l évolution du polluant en aval de la cheminée que les particules sont plus diluées quand la hauteur de la cheminée augmente. L éjection à une hauteur plus élevée génère un panache plus large qui favorise la dilution. Le panache de polluants tombe au sol beaucoup plus loin et avec une concentration faible en particules. On remarque que le maximum de concentration obtenu pour la plus faible hauteur, figure 8, se situe à l intérieur du domaine considéré tandis que pour les hauteurs de 100 et 150 m, le maximum de concentration s éloigne et sort du domaine. La hauteur de la cheminée peut donc définir la zone susceptible d être la plus affectée par les rejets des cimenteries. C. Influence de la rugosité du sol Nous portons à croire que la topographie d une région si elle est de rugosité significative, peut influencer d une certaine manière la dispersion d un polluant. Les obstacles, les accidents topographiques peuvent aussi être des perturbateurs de l écoulement, par conséquent, ils interviennent dans la distribution des champs de distribution des particules dans le domaine entourant une cimenterie. La rugosité d un sol se caractérise par la différence dans sa hauteur, si cette différence est comparable aux dimensions du nuage de polluants elle peut être considérée comme un obstacle. La rugosité d un sol détermine aussi le profil de la vitesse vertical. Il est clair que ce profil dépend de la vitesse du vent. Pour déterminer un tel profil, plusieurs auteurs proposent des formules empiriques permettant l extrapolation verticale de la vitesse du vent. Mikhaïl et al. [5] ont préposé une formule empirique, nommée la loi de puissance modifiée qui permet de tracer le profil de la vitesse en fonction de la rugosité. Les résultats des simulations réalisées pour différentes rugosités allant de r = m pour un milieu lisse à r = 4 m caractérisant un milieu urbain, montrent qu il n a pas d effet important sur la dispersion du polluant, figure 9. V. CONCLUSION Afin de mieux cerner le problème de la dispersion atmosphérique d un polluant, il indispensable d entreprendre des études d une façon approfondie en incluant le grand nombre de phénomènes physiques qui interviennent dans le processus afin d évaluer les risques réels imputés aux rejets des polluants des cimenteries. Dans notre cas, bien que nous ayons abordé le problème en considérant un certain nombre d hypothèses simplificatrices, on a mis en évidence la pertinence des paramètres étudiés qui confirment la nécessité d'une prise en charge sérieuse de la pollution atmosphérique dans la région de Meftah. En perspective, l étude peut être améliorée par la considération d un vent multidirectionnel et l introduction des effets de stratification thermique. Figure 9. Champ de concentration de CO 2 au niveau du sol pour différentes rugosités, (R=2, h=60m) REFERENCES [1] M.E., Smith and T.T., Frankenberg, Improvement of ambient sulfur dioxide concentrations by conversion from low to high stacks, J. Air Pollut. Control Assoc., 25, , [2] D. J., Wilson, Turbulent dispersion in atmospheric shear flow and its wind tunnel simulation, Von Karman Institute for fluid dynamics, Technical note 76, [3] J. H., Vincent, Model experiments on the nature of air pollution transport near building", Atmospheric Environment 11, , [4] S.R., Hanna, G.A., Briggs and R.P. Jr., Hosker, Handbook On atmospheric Diffusion, technical information Center. U.S. Department of Energy, 1982, 135p. [5] A.S., Mikhail and C.G., Justus, Comparison of height extrapolation models and sensitivity analysis, Wind engineering, 5,n 2, Journal of Scientific Research N 0 vol. 1 (2010) 43