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Etude expérimentale et modélisation de flammes pauvres prémélangées CH 4 /C 2 H 6 /C 3 H 8 /H 2 à basse pression S. de FERRIERES, A. EL BAKALI, J-F. PAUWELS,

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1 Etude expérimentale et modélisation de flammes pauvres prémélangées CH 4 /C 2 H 6 /C 3 H 8 /H 2 à basse pression S. de FERRIERES, A. EL BAKALI, J-F. PAUWELS, M. MONTERO Laboratoire de PhysicoChimie des Processus de Combustion et de l Atmosphère PC2A - UMR CNRS 8522 Université des Sciences et Technologies de Lille Villeneuve dAscq Cedex France

2 Introduction zLa combustion pauvre zTempérature de combustion moins élevée Réduction des émissions de NO thermiques zConcentrations en carbone et en oxygène plus faibles Réduction de CO, CO 2 zLa substitution dhydrogène zMeilleure stabilité zDiminution du carbone et de loxygène

3 Sommaire zDispositif expérimental zRésultats expérimentaux zModélisation cinétique Mécanismes GRI 3.0 et GDF-Kin 3.0 Comparaison expérience - modélisation zConclusions et perspectives

4 Premixed gases (CH 4 /C 2 H 6 /C 3 H 8 ), O 2, N 2, H 2 Pumping station Extraction and compression chamber Gas Chromatography Analysis (GC/TCD/FID – GC/MS) Pumping station Dispositif expérimental Flammes plates basse pression Combustion chamber Moving Flat flame burner Quartz microprobe Flammes prémélangées [CH 4 /C 2 H 6 /C 3 H 8 /H 2 ]/O 2 /N 2

5 Techniques dimagerie X. Mercier C1C2C3/ 0% H 2 C 1 C 2 C 3 / 60% H 2 Flammes laminaires de gaz naturel synthétique et de gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7) Etude de la stabilité et du caractère monodimensionnel des flammes

6 zFlammes diluées avec 72% N 2 zP = 60 Torr - Débit global : 310 L.h -1 zFlammes gaz naturel/air, (80% gaz naturel / 20% hydrogène) / air, (40% gaz naturel / 60% hydrogène) / air Φ= 0,7 Caractéristiques des flammes étudiées

7 Résultats expérimentaux Profils de fraction molaire des espèces stables

8 Réactifs : CH 4 et C 2 H 6 Structure des flammes laminaires de gaz naturel et gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7) CH 4 C2H6C2H6

9 Espèces intermédiaires: C 2 H 4 et C 2 H 2 -68% -80% C2H4C2H4 C2H2C2H2 Structure des flammes laminaires de gaz naturel et gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7)

10 Produits de combustion: CO et CO 2 -39% -37% CO 2 CO Structure des flammes laminaires de gaz naturel et gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7)

11 Profils de température Thermocouple recouvert Correction des pertes par radiation Structure des flammes laminaires de gaz naturel et gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7)

12 - Modélisation cinétique - Codes de calcul PREMIX (CHEMKIN II) - Mécanismes GDF-Kin®3.0 et GRI Comparaison des profils de fraction molaire des espèces expérimentaux et modélisés Structure des flammes laminaires de gaz naturel et gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7)

13 Modélisation cinétique des flammes zGDF-Kin®3.0 z121 espèces et 874 réactions zEl Bakali et al., 2006 zGRI3.0 z53 espèces et 325 réactions zG. Smith et al., 1999 Mécanisme réactions Base de données thermodynamiques Cp k °, H k °, S k ° Base de données de transport PREMIX Librairie de sous- programmes CHEMKIN II Profils de fractions molaires modélisés caractéristiques des flammes T exp (K)

14 Comparaison expérience - modélisation Réactif : CH 4 C 1 C 2 C 3 / 0% H 2 C 1 C 2 C 3 / 60% H 2

15 C 1 C 2 C 3 / 0% H 2 C 1 C 2 C 3 / 60% H 2 Comparaison expérience - modélisation Réactif : C 2 H 6

16 C 1 C 2 C 3 / 0% H 2 C 1 C 2 C 3 / 60% H 2 Comparaison expérience - modélisation Produit de combustion : CO

17 Comparaison expérience - modélisation Espèce intermédiaire : C 2 H 2 53% C 1 C 2 C 3 / 0% H 2 C 1 C 2 C 3 / 60% H 2 61% 88% 82%

18 Comparaison expérience - modélisation Espèce intermédiaire : C 2 H 4 43% C 1 C 2 C 3 / 0% H 2 C 1 C 2 C 3 / 60% H 2 30% 48%

19 zPeut-on considérer que lhydrogène est responsable de la réduction de CO et de CO 2 dans les flammes de GN/H 2 ? zDeux flammes prémélangées étudiées à 60 Torr y6.6% GN / 19.4% O 2 / 74% N 2 C = 0.75 y6.6% GN / 9.7% H 2 / 19.4% O 2 / 64.3% N 2 C+H = 1, C = 0.75 Rôle de lhydrogène sur la réduction de CO et CO 2

20 (% H 2 dans le combustible)

21 Etude de la structure chimique de flammes basse pression CH 4 / C 2 H 6 / C 3 H 8 / O 2 / N 2, [20% (CH 4 /C 2 H 6 /C 3 H 8 )]/80% H 2 /O 2 /N 2 et [40% (CH 4 /C 2 H 6 /C 3 H 8 )]/60% H 2 /O 2 /N 2 dans les conditions pauvres. Diminution très importante de CO, CO 2, C 2 H 4 et C 2 H 2 dans la flamme [40% (CH 4 /C 2 H 6 /C 3 H 8 )]/60% H 2 /O 2 /N 2 Le mécanisme GDF-Kin®3.0. prédit bien la consommation des réactifs et des produits. Les espèces intermédiaires hydrocarbonées sont sous-estimées. Rôle de H 2 sur la réduction de CO et CO 2 Conclusions et perspectives Perspectives Etude de flammes stoechiométriques Profils de fraction molaire de H 2 O par IRTF – Bilans matière Structure de flammes à pression atmosphérique Influence de la présence de H 2 sur la formation de NO Oxydation des mêmes mélanges dans des conditions² moteur


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