Combustion de mélanges gaz naturel/hydrogène dans des flammes laminaires prémélangées PDF Download
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Author: Solène de Ferrières Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 23
Book Description
Cette étude a pour but de valoriser la combustion de mélanges gaz naturel/hydrogène, combustible alternatif qui permettrait de réduire les émissions polluantes. L'objectif est d'acquérir des données cinétiques détaillées (température, concentrations d'espèces chimiques) sur la combustion de différents mélanges gaz naturel/hydrogène dans des flammes. L'influence de la quantité d'hydrogène, de la richesse et de la pression sur la cinétique chimique de combustion du gaz naturel a été examinée. Dix-huit flammes laminaires prémélangées CH4/C2H6/C3H8/H2/O2/N2 opérant à basse pression (0,079 atm) et à pression atmosphérique ont été étudiées. Les profils d'évolution des espèces moléculaires sont obtenus après prélèvement par microsonde et analyse par chromatographie en phase gazeuse et spectrométrie de masse couplée à la spectroscopie d'absorption infrarouge. Les profils de température sont mesurés par thermocouple recouvert. Cette base de données expérimentales a été utilisée pour développer le mécanisme chimique GDF-Kin® qui comporte 192 espèces impliquées dans 1287 réactions dont la plupart sont réversibles. Le mécanisme prédit de façon satisfaisante les profils de fraction molaire des espèces hydrocarbonées analysées, l'effet de l'hydrogène sur la cinétique d'oxydation du gaz naturel ainsi qu'un grand nombre de données globales et détaillées de la littérature (délais d'auto-inflammation, vitesses de flamme ... ). L'effet de l'hydrogène dépend fortement de sa quantité initiale et de la richesse, mais peu de la pression. L'hydrogène modifie les voies réactionnelles principales d'oxydation du gaz naturel, en particulier les réactions de métathèse par les atomes d'hydrogène.
Author: Solène de Ferrières Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 23
Book Description
Cette étude a pour but de valoriser la combustion de mélanges gaz naturel/hydrogène, combustible alternatif qui permettrait de réduire les émissions polluantes. L'objectif est d'acquérir des données cinétiques détaillées (température, concentrations d'espèces chimiques) sur la combustion de différents mélanges gaz naturel/hydrogène dans des flammes. L'influence de la quantité d'hydrogène, de la richesse et de la pression sur la cinétique chimique de combustion du gaz naturel a été examinée. Dix-huit flammes laminaires prémélangées CH4/C2H6/C3H8/H2/O2/N2 opérant à basse pression (0,079 atm) et à pression atmosphérique ont été étudiées. Les profils d'évolution des espèces moléculaires sont obtenus après prélèvement par microsonde et analyse par chromatographie en phase gazeuse et spectrométrie de masse couplée à la spectroscopie d'absorption infrarouge. Les profils de température sont mesurés par thermocouple recouvert. Cette base de données expérimentales a été utilisée pour développer le mécanisme chimique GDF-Kin® qui comporte 192 espèces impliquées dans 1287 réactions dont la plupart sont réversibles. Le mécanisme prédit de façon satisfaisante les profils de fraction molaire des espèces hydrocarbonées analysées, l'effet de l'hydrogène sur la cinétique d'oxydation du gaz naturel ainsi qu'un grand nombre de données globales et détaillées de la littérature (délais d'auto-inflammation, vitesses de flamme ... ). L'effet de l'hydrogène dépend fortement de sa quantité initiale et de la richesse, mais peu de la pression. L'hydrogène modifie les voies réactionnelles principales d'oxydation du gaz naturel, en particulier les réactions de métathèse par les atomes d'hydrogène.
Author: Anne Turbiez Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 660
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Meme si le methane est le constituant principal du gaz naturel, l'ethane, le propane et les alcanes superieurs, presents en faible quantite dans le gaz naturel, peuvent jouer un role important sur sa combustion. L'etude porte sur la combustion du gaz naturel dans des flammes laminaires premelangees a basse pression (0,053
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La vitesse de flamme adiabatique est un paramètre clé dans l'étude de la combustion d'hydrocarbures. Elle joue en effet un rôle essentiel dans le domaine de la combustion, dans la mesure où elle est utilisée pour valider des modèles numériques, pour construire des brûleurs, ou encore pour prédire d'éventuels retours de flamme ou souffles de la flamme. Le but de cette thèse a été d'étudier les vitesses de flammes laminaires d'un grand nombre d'hydrocarbures présents dans les gaz naturels, les essences et les gazoles. Ce travail comprend une partie expérimentale et une partie de modélisation. La partie expérimentale a permis d'enrichir les bases de données de la littérature pour différentes compositions de mélanges air/hydrocarbures. Les travaux ont été effectués sur un nouveau montage mis au point au LRGP (Laboratoire Réactions et Génie des Procédés) pour la mesure de vitesses de flammes laminaires par la méthode du flux de chaleur à l'aide d'un brûleur adiabatique à flamme plate. Cette méthode est basée sur l'équilibre des pertes thermiques nécessaires pour stabiliser la flamme par le flux de chaleur convectif allant de la surface du brûleur vers le front de flamme. Le brûleur est constitué d'une plaque perforée montée sur une chambre de mélange des gaz et la mesure de la distribution radiale de la température est réalisée grâce à une série de thermocouples. Ce montage a d'abord été utilisé à pression atmosphérique et plusieurs températures pour la mesure de vitesses de flammes de composés gazeux (alcanes, alcènes, méthane enrichi en hydrogène ou oxygène, gaz naturels, mélanges méthane-éthane et méthane-propane) et de composés liquides (alcanes, éthanol, essences commerciale et modèle additionnées ou non d'éthanol, alkylcyclohexanes, alkylbenzènes). Le montage a ensuite été placé dans une enceinte pour pouvoir travailler avec des pressions pouvant théoriquement aller jusqu'à 10 atm. Les vitesses de flammes de deux composés ont été étudiées à température ambiante et à haute pression : un composé gazeux, le méthane, jusqu'à une pression de 6 atm et un composé liquide, le n-pentane, jusqu'à une pression de 4 atm. Une étude de modélisation a complété ce travail par l'utilisation de modèles cinétiques détaillés pour la combustion des composés étudiés. Ces modèles ont été testés par la simulation des résultats expérimentaux précédemment obtenus, dans des conditions de richesse, température et pression variées.
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L'utilisation de combustibles à faible pouvoir calorifique, comme les gaz de rejets industriels ou les gaz dérivés du charbon ou de la biomasse, est une solution envisagée pour répondre à l'épuisement des ressources énergétiques fossiles traditionnelles, comme le gaz naturel et le pétrole. Les compositions variées de ces combustibles dans un domaine de faible PCI posent des problèmes cruciaux de stabilité de flammes et d'émissions polluantes. Un brûleur quadri-coaxial de 25kW a ainsi été conçu pour opérer avec des mélanges combustibles variés de gaz à faible PCI à l'aide d'un gaz d'appoint à plus fort PCI et d'oxygène comme comburant. Il se compose, du centre à la périphérie, d'injections successives d'oxygène (O2i), de gaz de haut fourneau (BFG), de méthane (CH4) et d'oxygène (O2e). La grande variété de flammes ainsi générées a été classée en différents modes de combustion. La flamme pilote CH4-O2e générée est toujours accrochée au nez de l'injection et garantit ainsi la stabilité de l'ensemble. La flamme centrale O2i-BFG peut rester accrochée au brûleur (type 1), ou se décrocher (type 2) et former une zone de réaction annulaire de type diffusion (type 2a) ou non-annulaire de type pré-mélangée (type 2b), ou enfin disparaître (type 3). Ces structures de flamme ont été caractérisées ^par imagerie et spectroscopie de chimiluminescence. Les champs aérodynamiques des écoulements réactifs et non-réactifs, ainsi que les champs de fraction de mélange non-réactifs ont été mesurés par PIV et PLIF. L'ensemble de ces résultats a permis de mettre en avant des échelles de longueur et de vitesse pertinentes pour la détermination de critères de stabilité sur la géométrie de ces flammes. La transition entre le type 1 et les autres est pilotée par une compétition entre la chimie de O2i-BFG et leur mélange organisé par les grandes structures. La transition entre les types 2a, 2b et 3 est décrite par le mélange de jets coaxiaux O2i-BFG et le rapport de leurs vitesses. Les paramètres déterminés à l'échelle du laboratoire ont ensuite été corroborés à l'échelle semi-industrielle de 500 kW.
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L'objet de la thèse est l'amélioration de l'évaluation du risque hydrogène dans les réacteurs nucléaires, dans le cas où les mélanges pauvres donnent lieu à des déflagrations accélérées. Dans ce but les propriétés explosives des mélanges hydrogène/air/diluant ont été étudiées avec deux dispositifs : (1) une bombe sphérique afin de déterminer les propriétés des flammes laminaires (vitesse fondamentale à étirement nul, énergie globale d'activation, nombre de Zeldovich, longueur de Markstein...). (2) Une ENceinte d'ACCElération de Flamme (ENACCEF) hautement instrumentée et encombrée d'obstacles afin de d'observer l'accélération de flammes. Le premier dispositif a permis la validation d'un modèle de cinétique chimique et la formulation de la vitesse normale de combustion paramétrée des conditions initiales (composition, température, pression). L'étude des accélérations de flammes (jusqu'à 600m/s) en présence d'obstacles a mis en évidence les influences sur les profils de vitesse de flamme, du taux de blocage, de la forme des obstacles, de la composition du mélange réactif ainsi que de la présence de gradients de concentration. Enfin, une étude de simulation numérique portant sur des flammes laminaires et accélérées a permis d'améliorer le code de calcul TONUS en introduisant un suivi fin de la position de flamme. Les expériences en bombe sphérique ont été reproduites grâce à la mise au point d'une corrélation entre le taux numérique de combustion et la richesse. La modélisation a conduit à une meilleure compréhension des phénomènes d'accélération de flamme. La prise en compte, dans le code, des pertes thermiques a amélioré la simulation des expériences d'accélération de flamme.
Author: Tanh Le Cong Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 263
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L’utilisation des mélanges hydrogénés permettrait de réduire significativement l’effet de serre (par les émissions de CO2) en diminuant l’utilisation des combustibles carbonés. L’addition de l’hydrogène au gaz naturel permet de faire fonctionner les turbines à gaz dans des régimes de combustion très pauvres afin de diminuer les émissions de NOX. Les mélanges de combustibles issus de la gazéification de la biomasse contenant du CH4, du H2, du CO, du CO2, ainsi que la recirculation des produits gazeux de combustion (CO2, H2O) sont également à considérer. De nouvelles données expérimentales ont été obtenues en réacteur auto-agité pour l’oxydation de H2, de CH4, et de mélanges avec H2, CO, CO2 et H2O (à 1 et 10 atm à des températures de 800-1450 K, la richesse variant de 0,1 à 2). Ces données sont très utiles pour étudier l’effet de l’hydrogène, du gaz de synthèse et de la recirculation sur l’oxydation du méthane. Un mécanisme cinétique détaillé a été développé pour la combustion des mélanges H2-O2, H2-CO, CH2O, CH3OH, CH4, CH4-H2, CH4-CO-H2 et validé en utilisant les données expérimentales de cette étude ainsi que les données de la littérature (réacteur auto-agité, réacteur à écoulement piston, tubes à choc et flamme laminaire pré-mélangée). L’étude cinétique indique que H2 et CO accélèrent l’oxydation de CH4 en favorisant les réactions de production des radicaux H et OH (H + O2 = OH + H, H + HO2 = 2OH, et H2 + OH = H2O + H) tandis que CO2 et H2O sont les inhibiteurs pour l’oxydation du méthane, en affectant l’équilibre des réactions CO + OH = CO2 + H et H + O2 + M = HO2 + M.
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Dans le contexte actuel des problèmes environnementaux et de la disponibilité limitée des ressources fossiles, il est nécessaire de développer des brûleurs performants et peu polluants, et d’utiliser des sources d’énergie non fossiles. Cette étude porte sur la combustion de mélanges gaz naturel/hydrogène en milieu poreux catalytiques. En effet, les brûleurs radiants poreux permettent d’obtenir une efficacité élevée et de faibles émissions de polluants. Le comportement de ces brûleurs est cependant complexe et peut être fortement modifié par l’introduction d’hydrogène. L’objectif de cette thèse est dans un premier temps d’étudier le comportement d’un brûleur radiant poreux constitué d’un support poreux de type mousse catalysé ou non et de comprendre les phénomènes en jeu, pour ensuite étudier l’influence de la structure et de la nature du milieu poreux et pouvoir ainsi optimiser le brûleur. Des tests expérimentaux sur quatre mousses différentes (deux mousses métalliques et deux mousses céramiques) et pour des mélanges combustibles contenant de 100% vol. de gaz naturel à 100% vol. d’hydrogène ont été effectués. Ils ont permis de définir les zones de fonctionnement pour chaque support. L’ajout d’hydrogène réduit la zone de fonctionnement du brûleur jusqu’à une disparition complète du mode radiant au-delà de 80% vol d’hydrogène. Un modèle numérique a été développé. Il permet de représenter les zones de fonctionnement obtenues expérimentalement et reproduit l’évolution des émissions de polluants en fonction de la richesse, de la puissance spécifique et de la quantité d’hydrogène. Les phénomènes prenant place au sein du brûleur sont fortement couplés. Ils conditionnent la position du front de combustion et ainsi les performances du brûleur. La diminution de la conductivité thermique, du transfert de chaleur entre la phase gaz et la phase solide et du coefficient d’absorption permettent à la fois de réduire les émissions de CO et de NO et d’augmenter le flux radiatif. Leur variation est cependant limitée par une réduction de la résistance du brûleur à la remontée de la zone de combustion vers l’entrée.
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Le présent travail étudie et analyse la structure des flammes de méthane-air laminaires partiellement prémélangées. L'intérêt de ces flammes réside dans le fait qu'elles sont caractéristiques de la combustion dans les chaudières domestiques. L'enjeu de la connaissance de la combustion dans de telles applications industrielles repose sur la maîtrise des émissions de polluants tels que les oxydes d'azotes qui découlent de leurs utilisations. L'analyse de ces flammes est basée sur l'étude numérique des phénomènes de combustionqui couplent la complexité des réactions chimiques à l'écoulement laminaire des gaz en interaction. Cette étude numérique est effectuée à partir du code de calcul industriel ESTET dans lequel nous avons implanté un modèle de combustion laminaire en chimie complexe. L'implantation de ce modèle a nécessité la mise en place de la cinétique chimique et de transport complexes, CHEMKIN et TRANSPORT respectivement, ainsi que par l'utilisation de mécanismes cinétiques contenant les espèces nécessaires à la combustion de méthane dans l'air en tenant compte des espèces azotées. Le code ainsi modifié a tout d'abord été utilisé dans une configuration de flamme prémélangée plate afin de valider les modifications introduites par comparaisons avec les résultats monodimensionnels du code PREMIX. Des tests de raffinements de maillage ont ensuite été réalisés sur une configuration bidimensionnelle de flamme totalement prémélangée afin de discuter de la taille minimale acceptable de maillage élémentaire à utiliser pour les calculs de flammes. Sur la base de ces validations numériques, quatre types de flammes de méthane-air laminaires partiellement prémélangées du projet européen TOPDEC on été calculées par le code ESTET. L'arrivée de l'air et du combustible se fait sur deux entrées, primaire et secondaire, dinstinctes rendant les flammes totalement ou partiellement prémélangées avec une richesse d'entrée faible ou élevée suivant les cas tout en gardant constante la richesse globale (0.71). Trois flammes sont de type Bunsen, la dernière possède un insert placé dans le bec brûleur donnant lieu à une flamme de type flamme en V. Les résultats ont été comparés aux mesures expérimentales obtenues par différents partenaires du projet TOPDEC. Ces comparaisons ont montré la capacité prédictive et l'intérêt de l'outil numérique développé pour la chimie complexe. Nous avons, entre autres, pu prédire raisonnablement l'émission de l'oxyde d'azote dans le brûleur.
Author: Solène de Ferrières
Author: Solène de Ferrières
Author: Anne Turbiez
Author: Patricia Dirrenberger
Author: Xavier Paubel
Author: Fabrice Malet
Author: Roland Borghi
Author: Tanh Le Cong
Author: Ségolène Gauthier
Author: Virginie Quilichini
Author: Groupe d'étude des flammes de gaz naturel (France).