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Journal of Scientific Research N° 0 vol. 1 (2010)
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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
email: [email protected] ; [email protected] ; Fax: (021) 52 29 73 2 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
10ème
Séminaire International sur la Physique Energétique
10th International Meeting on Energetical Physics
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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.
Equation de continuité
(1)
Equation de conservation de quantité de mouvement
(2)
Equation de conservation de l’énergie
(3)
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.
(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
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).
Figure 1. Domaine géométrique
Figure 2. géométrie et maillage du domaine
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
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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 CO2 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 CO2; (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+CO2) 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 CO2 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)
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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)
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 8. Dispersion du Polluant pour des cheminées de
différentes hauteurs et pour R=2.
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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.
Figure 9. Champ de concentration de CO2 au niveau du sol
pour différentes rugosités, (R=2, h=60m)
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 = 0.0001 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.
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,
595- 601, 1975.
[2] D. J., Wilson, “Turbulent dispersion in atmospheric shear
flow and its wind tunnel simulation”, Von Karman
Institute for fluid dynamics, Technical note 76, 1971.
[3] J. H., Vincent, “Model experiments on the nature of air
pollution transport near building", Atmospheric
Environment 11, 765-774, 1977.
[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, 1981.
