ETUDE EXPERIMENTALE DE LA COMBUSTION SANS FLAMME SUR UN FOUR PILOTE DE LABORATOIRE Christiane Rottier co-encadrants : D. Honoré, A. Boukhalfa CORIA - UMR 6614 CNRS, Université et INSA de Rouen 76801 Saint Etienne du Rouvray christiane.rottier@coria.fr

La combustion sans flamme Introduction La combustion sans flamme mode de combustion innovant des foyers industriels optimisation des rendements réduction des émissions de polluants et de gaz à effet de serre Utilisé en industrie depuis une dizaine d’années MAIS les phénomènes physico-chimiques sont loin d’être entièrement compris Étude expérimentale au CORIA Principe de la combustion sans flamme Four pilote de laboratoire Imagerie de Chimiluminescence OH* Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) Conclusions et perspectives P L A N

La combustion sans flamme Principe : Forte recirculation des gaz brûlés dans le foyer Dilution des réactifs avant combustion Caractéristiques : Haut rendement Pas de flamme visible Faibles maxima et gradients de température Homogénéité du transfert de chaleur Très faibles émissions de NOx Combustion classique Combustion sans flamme (Milani, 2001)

Four pilote de combustion sans flamme du CORIA "FOUR" = Furnace with Optical access and Upstream Recirculation recirculation "naturelle" des produits de combustion accessibilité optique vs. confinement thermique dimensions variables de la chambre de combustion fonctionnement continu 24 h /24 h idem brûleur régénératif NFK HRS DL2-5 AIR CH4 2 injections opposées de CH4 (f0 = 3 mm) 1 injection centrale d'air (fa = 25 mm) congé de sortie (R = 11 mm) entraxe injecteurs gaz = 101,4 mm géométrie du brûleur cheminée chambre de combustion blocs amovibles pour accès optiques brûleur préchauffeur électrique d'air

Des flammes évanescentes… 2 zones de réaction dans les couches de mélange méthane / air après convergence des jets Dans les conditions nominales : P = 20 kW – l = 1,1 – Ta = 873 K, simplement 2 flammes suspendues invisibles ?

Imagerie de chimiluminescence OH* Visualisation directe Image moyenne @ 308 nm P = 20 kW – l = 1.1 – Ta = 873 K 2 zones de réaction dans les couches de mélange CH4 / air après convergence des jets

Imagerie de chimiluminescence OH* Visualisation directe Image moyenne @ 308 nm P = 20 kW – l = 1.6 – Ta = 873 K 2 zones de réaction dans les couches de mélange CH4 / air après convergence des jets 2 zones de réaction entre CH4 / O2 dans les gaz brûlés recirculants

Imagerie de chimiluminescence OH* Visualisation directe Image moyenne @ 308 nm P = 20 kW – l = 1.1 – Ta = 293 K Plus de chimiluminescence détectable !

Mesures de vitesses par PIV sur le FOUR spécificités de l'application de diagnostics laser dans les fours ensemencement des jets en ZrO2 ( 5 mm) champ de vision réduit forte température des parois  fort rayonnement de fond obturateur cristaux liquides pré-traitement des images - = image de fond image brute image finale algorithme de corrélation directe avec fenêtres d'interrogation rectangulaires optimisation de la dynamique et de la résolution spatiale

Mesures de vitesses par PIV sur le FOUR Champs moyens de vitesse mesurés par PIV profils radiaux composante axiale & lignes de courant entraînement du fluide ambiant  gaz brûlés recirculants à vitesse quasi nulle 3 jets turbulents quasi libres avant convergence et fusion dilution des jets par les GB avant leur interactions  quantification du taux d'entraînement de chaque jet turbulent

Quantification des taux d'entraînement AIR METHANE évolution linéaire – Ke(y*)  2 évolution non linéaire – Ke(y*)  8 intégration du profil de vitesse axiale à chaque position longitudinale  débit massique : normalisation par la valeur initiale à y = 10 mm :  taux d'entraînement de chaque jet turbulent :

Quantification des taux d'entraînement AIR METHANE modèle physique : jets turbulents non réactifs entourés de gaz brûlés à la température des parois  taux d'entraînement : (Ricou & Spalding, J.F.M., 1961 Han & Mungal, Comb. Flame 2001) diamètre injecteur masse volumique du réactif à 273 K température du jet température des parois des gaz brûlés à 273 K

Quantification des taux d'entraînement AIR METHANE Dilution du jet d'air par les gaz brûlés modèle physique : jets turbulents non réactifs entourés de gaz brûlés à la température des parois  taux d'entraînement : (Ricou & Spalding, J.F.M., 1961 Han & Mungal, Comb. Flame 2001) diamètre injecteur masse volumique du réactif à 273 K température du jet température des parois des gaz brûlés à 273 K

Quantification des taux d'entraînement AIR METHANE Dilution du jet d'air par les gaz brûlés dilution et chauffage du jet de CH4 modèle physique : jets turbulents non réactifs entourés de gaz brûlés à la température des parois  taux d'entraînement : (Ricou & Spalding, J.F.M., 1961 Han & Mungal, Comb. Flame 2001) diamètre injecteur masse volumique du réactif à 273 K température du jet température des parois des gaz brûlés à 273 K

Conclusions et perspectives Caractérisation expérimentale du régime de combustion sans flamme Four pilote de combustion sans flamme visualisation des zones réactives par imagerie de chimiluminescence OH* Mesures de vitesse et taux d'entraînement par PIV Mesures de température par TC à fil fin Mesures de concentration par sondes de prélèvement Fluorescence Induite par Laser critères d'existence du régime de combustion sans flamme Étude de l'effet de la composition du combustible

Quantification des taux d'entraînement évolution linéaire – Ke(y*)  2 évolution non linéaire – Ke(y*)  10

Quantification des taux d'entraînement modèle physique : jets turbulents non réactifs entourés de gaz brûlés à la température des parois  taux d'entraînement : (Ricou & Spalding, J.F.M., 1961 Han & Mungal, Comb. Flame 2001) diamètre injecteur masse volumique du réactif à 273 K température du jet température des parois des gaz brûlés à 273 K

Quantification des taux d'entraînement modèle physique : jets turbulents non réactifs entourés de gaz brûlés à la température des parois  taux d'entraînement : (Ricou & Spalding, J.F.M., 1961 Han & Mungal, Comb. Flame 2001) diamètre injecteur masse volumique du réactif à 273 K température du jet température des parois des gaz brûlés à 273 K Dilution du jet d'air par les gaz brûlés

Quantification des taux d'entraînement modèle physique : jets turbulents non réactifs entourés de gaz brûlés à la température des parois  taux d'entraînement : (Ricou & Spalding, J.F.M., 1961 Han & Mungal, Comb. Flame 2001) diamètre injecteur masse volumique du réactif à 273 K température du jet température des parois des gaz brûlés à 273 K Dilution du jet d'air par les gaz brûlés dilution et chauffage du jet de CH4