Journées François LACAS Journée des Doctorants en Combustion – Journée des Doctorants en Combustion Modélisation numérique de la réduction des NOx dans un four expérimental de 4MW à charbon par la méthode du reburning Francisco CADAVID (1), Thomas LE BRIS (2), Sébastien CAILLAT(2), Stanislas PIETRZYK(3), Jacques BLONDIN (4) (1) Universidad de Antioquia Facultad de Ingeniería, Grupo del Gas (Colombia) (2) École des Mines de Douai, Dépt. Énergétique Industrielle (France) (3) Unité de Catalyse et Chimie du Solide USTL – ENSCL - ECLille (France) (4) SNET/CERCHAR (France)

Combustion du charbon pulvérisé Un probleme multi-physique Ecoulements bi-phasique Radiation Pyrolyse Devolatilisation Combustion du résidu carboné Chimie en phase homogène Chimie en phase heterogène (Williams)

Combustion du charbon pulvérisé (CPM) Composition variable : Volatils légers, des goudrons Composés cycliques, Aromatiques, Aliphatiques → Craquage et polymérisation (Alonso) Paramètres: Température maximum Vitesse de chauffe Rang Maceraux …

Combustion du charbon pulvérisé Résidu carboné Porosité Réactivité Température T° basse : O2 diffusion complète T° moyenne : O2 diffusion partielle T° haute : Pas de diffusion de O2, CO2 ou H2O (Williams) (williams)

Combustion du charbon pulvérisé Sources NO-Précoce NO-Thermique NO-Combustible Réduction Milieu réducteur Surface du résidu carboné Reburning : Yang Thermal-NO : Zeldovitch Fuel-NO : De Soete Prompt-NO : Neglected (De Soete)

Modèles numériques La modélisation numérique L’espace de combustion est divisé en cellules Dans chaque cellule sont représentés les différents phénomènes physiques Problèmes Puissance et temps de calcul Taille des cellules Représentativité du modèle Capacité à converger Constantes chimiques et physiques disponibles Représentation de l’écoulement fluide Reynolds Averaged Navier-Stokes : Moyenne temporelle de l’écoulement

Modèles numériques Turbulence k-epsilon: simple et robuste Vitesses tangentielles sous-estimées Moyenne de Favre (densité) Écoulement Bi-phasique Représentation Lagrangienne Permet d’avoir un suivi des particules Radiation Harmoniques sphèriques du premier ordre (P-1) Adapté pour les milieux optiquement épais

Modèles numériques Chimie en phase homogène Fraction de mélange Probability density function (PDF) Pseudo-équilibre possible Espèces intermédiaires Oxydation du résidu carboné O2 comme oxydant Contrôle de la vitesse de réaction par diffusion Dévolatilisation Modèle : Single kinetic rate (Badzioch and Hawksley) Modèle : Two kinetic rates testé avec des résultats irréalistes CH4 est le combustible dévolatilisé

Modèles numériques Modèles utilisés Turbulence k-epsilon Ecoulement biphasique Eulerien/Lagrangien Radiation First Order Spherical Harmonics (P-1) Chimie en phase homogène Probability Density Function (PDF) Dévolatilisation Single Kinetic Rate model (SR) Oxydation du residu carboné Diffusion-Limited (DL) NO-Thermique Enlarged Zeldovitch NO combustible (homogène) De Soete (HCN) NO combustible (hétérogène) Lockwood Combustion en milieu réducteur Yang

Le reburning sur la chaudière du CERCHAR Le four expérimental du CERCHAR 4 MW Brûleur bas-NOx, adapté pour produire des NOx Fenêtres pour sondes: Vitesses Températures Espèces Surcombustion réductrice testée avec du gaz et du charbon

Le reburning sur la chaudière du CERCHAR Modélisation de la concentration d’oxygène dans le four

Le reburning sur la chaudière du CERCHAR Modèles de chimie de NO en milieu réducteur : Sans surcombustion Sans modèle de surcombustion Modèle de Bowman Modèle de Yang Modèle de Yang adapté (T>1300°C)

Conclusions Résultats corrects en moyenne; moins satisfaisants dans les details Des phénomènes physiques moyennés donnent des résultats moyénnés. Reynolds, Favre Composition des charbons variables Taille des cellules pas toujours suffisante Entrées d’air lors de la mesure, perturbation par la sonde. Bien pire pour des applications industrielles. Perspectives: Projet Cosamm avec l’Université du Kent Mesure de l’écoulement particulaire dans l’arrivée de combustible Volonté de prédiction des instabilités de la flamme www.cosamm.org

Merci pour votre attention Thomas.le.bris@ensm-douai.fr