Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 1 ETUDE EXPERIMENTALE DES CHAMPS DYNAMIQUES ET SCALAIRES DE LA COMBUSTION SANS FLAMME Eric MASSON 5 octobre 2005 Discipline.

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1 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 1 ETUDE EXPERIMENTALE DES CHAMPS DYNAMIQUES ET SCALAIRES DE LA COMBUSTION SANS FLAMME Eric MASSON 5 octobre 2005 Discipline : Physique Spécialité : Energétique Ecole doctorale SPMI

2 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 2 PLAN DE LA PRESENTATION INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME

3 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 3 PLAN DE LA PRESENTATION INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME MOYENS EXPERIMENTAUX MOYENS DESSAIS TECHNIQUES DE MESURES

4 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 4 PLAN DE LA PRESENTATION INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME MOYENS EXPERIMENTAUX CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME STABILISATION DE LA FLAMME STRUCTURES DES ZONES REACTIVES RECIRCULATIONS ET DILUTION DES REACTIFS FORMATION DES OXYDES DAZOTE

5 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 5 PLAN DE LA PRESENTATION INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME MOYENS EXPERIMENTAUX CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

6 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 6 INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME MOYENS EXPERIMENTAUX CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME

7 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 7 Pollution atmosphérique provenant de la combustion : INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME Pollution atmosphérique Dioxyde de carboneOxydes dazote Provient directement de la combustion Trois voies de formation Précoce Thermique Combustible Effet de serrePluies acides, Brouillard oxydant Augmentation de lefficacité énergétique : Préchauffage de lair par les fumées : Augmentation des émissions en oxydes dazote Méthodes primaires Oxy-combustion, Dilution du mélange réactif Etagement de la combustion Méthodes secondaires Recombustion, Réduction Sélective Non Catalytique Réduction Sélective Catalytique

8 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 8 Ressources en énergie : INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME Ressources en énergie fossile L'essentiel de la production d'énergie repose sur les combustibles fossiles : pétrole, gaz naturel et charbon, Réserves limitées : Décroissance de la production : Tensions croissantes sur les prix des ressources Augmentation de lefficacité énergétique : Baisse de la demande et de la consommation Réduction de la part énergétique dans le coup de revient du produit Consommation en GN du secteur industriel européen : 39 % Un point de levier intéressant Beaucoup de domaines utilisent des foyers industriels Améliorer leur efficacité énergétique effets bénéfiques sur la consommation globale en gaz naturel.

9 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 9 INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME La combustion sans flamme Etudes et amélioration des brûleurs « bas-NO x » Amélioration de lefficacité énergétique Réduction des émissions en NO x Etudes et amélioration des brûleurs régénératifs « combustion sans flamme »

10 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 10 La combustion sans flamme : INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME La combustion sans flamme Préchauffage de lair, Fortes vitesses dinjection Recirculation des produits de combustion Dilution des réactifs Température homogène spatialement & temporellement Bruit de combustion faible FLOX © : Flameless Combustion, Pas démission visible de Chimiluminescence, HiTAC : High Temperature Air Combustion, HPAC : High Preheated Air Combustion, MILD Combustion : Moderate and Intense Low Dilution Oxygen Combustion, Diluted Combustion. Faibles émissions de NOx.

11 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 11 Chimiluminescence : INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME Chimiluminescence - 1 Pas démission de flamme visible (Milani - 2001)

12 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 12 Préchauffage de lair : INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME Préchauffage de lair Brûleur régénératifs Couple de brûleurs équipés de capacités thermiques en céramique (Brune – 2001) Régénérateurs Fumées Air Brûleurs autorégénératifs Réduction de 50% de la consommation (Milani - 1998)

13 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 13 (Yamauchi - 1999) Recirculations et dilutions : INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME Recirculations et dilutions Recirculation interne à la chambre de combustion : Dilution du milieu réactif : Q R : Débit de recirculation Q A : Débit air Q F : Débit combustible Taux de recirculation K v (Wünning - 1997)

14 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 14 Température dans la flamme : INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME Effet de la dilution : Température dans la flamme - 1 Disparition du pic de température T air = 35°C, 21% Vol O 2 T air = 1200°C, 4% Vol O 2 (Hasegawa - 1998)

15 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 15 Température dans la flamme : INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME Effet de la dilution : Température dans la flamme - 2 Disparition du pic de température Ralentissement de la réaction (De Joannon - 2002) Augmentation des temps chimiques turbulence chimie Flamme épaissie – Combustion distribuée Réacteur parfaitement agité (Borghi - - 2000) turbulence < chimie turbulence = chimie

16 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 16 CO 2 N2N2 Gaz brûlés (Choi - 1998) Formations et émissions des oxydes dazote : INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME Effet de la dilution : Formations et émissions des oxydes dazote - 1 Emissions des oxydes dazote Formation des oxydes dazote Réduction des émissions avec la dilution de lair ou du combustible Dilution avec CO 2 ou N 2 Diminution de la température Dilution avec produits de combustion Effet sur la cinétique chimique. Destruction du NO en HNO

17 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 17 Etudes antérieures de la combustion sans flamme : INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME Etudes de la combustion sans flamme Expérimentations à léchelle de laboratoire : Etude des aspects du régime de combustion indépendamment les uns des autres. Configurations expérimentales éloignées de lutilisation industrielle Expérimentations à léchelle semi-industrielle : Approche globale sans mise en évidence de linfluence des paramètres de fonctionnement sur le régime. Etude détaillée du régime de combustion dans une configuration en rapport avec le domaine dutilisation Vers des études fondamentales ETUDE EXPERIMENTALE DES CHAMPS DYNAMIQUES ET SCALAIRES DE LA COMBUSTION SANS FLAMME

18 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 18 INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME MOYENS EXPERIMENTAUX CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES MOYENS EXPERIMENTAUX

19 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 19 Installation dessais semi-industrielle (Gaz de France) MOYENS EXPERIMENTAUX Moyens dessais : Installation dessais semi-industrielle Chambre principale Charge Section de mesures Dans la flamme Sonde de mesures Tampon coulissant Brûleur Zone de mesures : 1000 x 1000 mm 2 Accès de mesures supplémentaires à 1500 mm, 2000 mm du brûleur Connexion réchauffeur/ brûleur Réchauffeur électrique T air = 25 °C – 1000 °C Q air = 210 m 3 (n)/h But : mesures dans la flamme Régime stationnaire Brûleur régénératif impossible Réchauffeur électrique

20 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 20 Installation semi-industrielle : MOYENS EXPERIMENTAUX Moyens dessais : Installation dessais de laboratoire - 1 Accès incomplet sur lensemble de la flamme, Géométrie de la chambre fixe. Installation de laboratoire : Accès sur lensemble de la flamme, Chambre à géométrie variable influence du confinement, Coûts de fonctionnements.

21 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 21 Installation de laboratoire : Chambre de combustion MOYENS EXPERIMENTAUX Moyens dessais : Installation dessais de laboratoire - 2 Cheminée Module central Tronçons mobiles portes Brûleur

22 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 22 Installation de laboratoire : Confinement variable MOYENS EXPERIMENTAUX Moyens dessais : Installation dessais de laboratoire - 3 Confinement faible fort 250 x 500 mm 2 500 x 500 mm 2 Dimensions Taux de confinement 0,050 0,075 Confinement fort - XConfinement fort - YConfinement faible

23 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 23 Installation de laboratoire :Accès de mesures complet & confinement haute température MOYENS EXPERIMENTAUX Moyens dessais : Installation dessais de laboratoire - 4 Blocs de mesures 10 blocs de mesures placés en quinconce sur la hauteur de la chambre Bloc thermocouple Bloc hublot

24 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 24 Installation de laboratoire : Système dalimentation et de conduite MOYENS EXPERIMENTAUX Moyens dessais : Installation dessais de laboratoire - 5 Combustible Comburant Eau 3 Types dalimentation : Alimentation du brûleur (20 kW) Maintien en température de la chambre (T MAX = 1200 °C) Supervision 24h/24h Préchauffage de lair (T MAX = 800 °C) Mise en régime : 7h00

25 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 25 Brûleurs dessais MOYENS EXPERIMENTAUX Moyens dessais : Brûleurs dessais - 1 2 Types de brûleurs régénératifs commerciaux : Injection combustible centrale / Injection comburant périphérique Injection combustible périphérique / Injection comburant centrale

26 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 26 Brûleurs dessais MOYENS EXPERIMENTAUX Moyens dessais : Brûleurs dessais - 2 Installation semi-industrielle :Installation de laboratoire : Géométrie simplifiée par rapport au modèle commercial NFK HRS-DL 2.5 : Préchauffage électrique : pas de régénérateur, Un seul couple dinjection de combustible, Une injection de combustible en veine centrale, Congé en sortie de veine dair. Caractéristiques des injecteurs identiques au modèle commercial (injections parallèles) Caractéristiques des injections identiques au brûleur semi-industriel : Calcul de similitude basé sur la conservation du taux de recirculation et du rapport des vitesses dinjection, Conservation du congé en sortie de la veine dair.

27 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 27 Brûleurs dessais MOYENS EXPERIMENTAUX Moyens dessais : Brûleurs dessais - 3 Installation semi-industrielle :Installation de laboratoire : Point de fonctionnement identique à celui du modèle commercial : P = 200 kW, T air = 1000°C, T four = 1300°C, λ = 1,1 Point de fonctionnement : P = 20 kW, T air = 600°C, T four = 1000°C, λ = 1,1, confinement faible P = 100 kW, T air = 25 °C, T four = 1100°C, λ = 1,3 T air = 25°C, λ = 2,2, confinement fort

28 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 28 Mesures globales MOYENS EXPERIMENTAUX Techniques de mesures – Mesures globales Installation semi-industrielle :Installation de laboratoire : Entrée : Débits, compositions et températures des réactifs Sortie : Composition et température des fumées Sortie : Température dentrée et de sortie et débit deau de la charge, Températures internes et externes des parois,

29 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 29 Principe : Réacteur gaz naturel / air / gaz brûlés recirculés parfaitement mélangés AIR GAZ FUMEES Modèle global : MOYENS EXPERIMENTAUX Techniques de mesures - Post-traitements des données - 1 RECIRCULATIONS MélangeCombustion 3 étapes : But : Compréhension des mécanismes globaux Calcul des recirculations Mélange tripartie (air/ gaz/ produits recirculés) Combustion

30 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 30 Principe : Réacteur gaz naturel / air / gaz brûlés recirculés parfaitement mélangés Modèle global : MOYENS EXPERIMENTAUX Techniques de mesures - Post-traitements des données - 2 Résultats : Taux de recirculation théorique, Température du mélange tripartie, Composition du mélange tripartie, Température de flamme. But : Compréhension des mécanismes globaux 3 étapes : Calcul des recirculations Mélange tripartie (air/ gaz/ produits recirculés) Combustion

31 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 31 Brûleur Section de mesures dans la flamme Chambre principale Mesures par sondes MOYENS EXPERIMENTAUX Techniques de mesures – Mesures dans la flamme - 5 Tampon coulissant Sonde de mesures Accès supplémentaires Installation semi-industrielle : Température Thermocouples à fil fin Vitesses Anémomètrie Doppler Laser Concentration espèces stables Sonde à col sonique

32 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 32 Mesures par sondes MOYENS EXPERIMENTAUX Techniques de mesures – Mesures dans la flamme - 8 Vitesses : Configuration expérimentale : Vitesse axiale, Vitesse tangentielle Plan de mesures Brûleur Sonde de mesures Faisceaux ADL Utilisation dans un four semi-industriel : Chemise de protection refroidie par eau (Fricker & Roberts - 1997) (Fricker & Roberts - 2003)

33 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 33 Imagerie de flamme par chimiluminescence MOYENS EXPERIMENTAUX Techniques de mesures – Mesures dans la flamme - 4 Caméra ICCD Caméra ICCD Installation semi-industrielle :Installation de laboratoire : Brûleur Section de mesures dans la flamme Chambre principale Mesure en fond de chambreMesure latérale Tronçons mobiles

34 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 34 Imagerie de flamme par chimiluminescence MOYENS EXPERIMENTAUX Techniques de mesures – Mesures dans la flamme - 2 Basée sur le rayonnement spontané de radicaux formés à létat excité Application dans un four à haute température Rayonnement des parois OH* (306,4 nm) CH* (431,4) C 2 * (516,5 nm) ? T four = 1100°CT four = 1300°C Filtre 307 +/- 5 nm Imagerie de flamme réalisée sur lémission du radical OH* CH* OH*

35 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 35 Essais réalisés : MOYENS EXPERIMENTAUX Essais réalisés - 1 Cas de référence : Semi-industrielle : P = 200 kW, T air = 1000°C, T four = 1300 °C, λ = 1,1 Installation semi-industrielle Laboratoire : P = 20 kW, T air = 600°C, λ = 1,1, Confinement faible Installation de laboratoire

36 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 36 Essais réalisés : MOYENS EXPERIMENTAUX Essais réalisés - 2 Etude paramétrique : Puissance, Installation semi-industrielle Température de four, Installation de laboratoire Température de préchauffage, Taux daération, Prémélange en veine dair, Confinement,

37 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 37 INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME MOYENS EXPERIMENTAUX CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME

38 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 38 Stabilisation de la flamme CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Structures des zones réactives Recirculations externes et dilutions Température du four Prémélange en veine dair Puissance Température de lair Taux daération Confinements Température du four Prémélange en veine dair Puissance Température de lair Taux daération Confinements Formations des oxydes dazote

39 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 39 (Lin & Sheu - 1991) Profils radiaux de vitesses axiales (ADL) : CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Stabilisation de la flamme - 1 Installation semi-industrielle min Max min Max min Max

40 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 40 Profils radiaux de vitesses axiales (ADL) : CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Stabilisation de la flamme - 2 Valeurs négatives entre les jets dair et de combustible Zone de recirculation interne provoquée par effet de sillage Installation semi-industrielle min Max

41 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 41 Champs de concentrations locales moyennes : CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Stabilisation de la flamme - 3 Inter-diffusions des réactifs Installation semi-industrielle

42 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 42 Champ de températures moyennes et Isocontour stœchiométrique CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Stabilisation de la flamme - 4 Conditions locales stœchiométriques et T 1000°C Accrochage de la flamme dans la ZRi Activation de la réaction Combustion dans la ZRi Installation semi-industrielle

43 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 43 Champs de concentrations moyennes en CO, de Températures et de vitesses axiales CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Structures des zones réactives - 1 2 zones de réactions distinctes Primaire Secondaire Installation semi-industrielle

44 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 44 Champs de concentrations moyennes en CO, de Températures et de vitesses axiales CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Structures des zones réactives - 2 2 zones de réactions distinctes -Sur le bord de la ZRi, coté jet dair, -Faible élévation locale de température, -Débute dans la zone de fusion des jets, -Elévation locale de température plus élevée, -Dans la couche de mélange des jets Primaire Secondaire Accrochage de la flamme Dégagement principal de chaleur -Faible émission OH, -Emission OH plus élevée, Installation semi-industrielle Chimiluminescence OH & de laboratoire

45 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 45 Champ de températures moyennes et Isocontour stœchiométrique CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Structures des zones réactives - 4 Conditions favorables à une réaction à lextérieur du jet de gaz naturel Pas de réaction de combustion Dilution du mélange réactif Conditions de mélange hors limites Installation semi-industrielle Champ de concentrations moyennes en CO

46 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 46 Détermination du régime de combustion CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Structures des zones réactives - 5 Concentrations Fraction de mélange Sans combustionAvec combustion Z st

47 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 47 H50B50 Evolution de type flamme de diffusion H20B80 Détermination du régime de combustion CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Structures des zones réactives - 6 Installation semi-industrielle En combustion classique : Brûleur à air préchauffé et double injection de gaz (Direction de la recherche de Gaz de France) Trois mesures : 3 rapports de débit entre les injections HP / BP H33B67 H50B50 H20B80 H33B67 H50B50 H20B80 Superposition des deux évolutions avec et sans combustion H20B80H50B50 Prémélange non réactif – flamme liftée

48 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 48 Détermination du régime de combustion CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Structures des zones réactives - 8 Installation semi-industrielle Combustion sans flamme Evolution dune flamme de diffusion Régime de Combustion sans flamme & Flamme de diffusion

49 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 49 Mise en évidence des recirculations externes et dilutions CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Recirculations externes et dilutions - 1 Concentrations en CO 2 et NO x égales aux mesures en sortie Vitesses négatives dans la zone extérieure Recirculations externes (aux jets et zones de réactions) Installation semi-industrielle min Max

50 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 50 Quantification des recirculations externes et dilutions CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Recirculations externes et dilutions - 2 Concentrations Températures Vitesses Entraînement Recirculation Taux de recirculation : k v Taux dentraînement : K e Comparaison avec une simulation 3D non réactive (FLUENT ® ) Mesure = Simulation Faible gradient de température Pilotage par laérodynamique Installation semi-industrielle

51 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 51 Comparaison avec régime de combustion classique CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Recirculations externes et dilutions - 3 brûleur à air préchauffé et double injection de gaz Installation semi-industrielle

52 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 52 Comparaison avec régime de combustion classique CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Recirculations externes et dilutions -4 brûleur à air préchauffé et double injection de gaz Géométrie Classique Sans flamme Conditions dinjection Combustion sans flamme Installation semi-industrielle

53 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 53 Effet des recirculations sur la température CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Recirculations externes et dilutions - 5 Mesures : Température maximale Taux de recirculation expérimental Classique CORIA - Gaz de France FRIF Combustion classique Combustion sans flamme CORIA – Gaz de France FRIF Modèle : Température adiabatique Diminution de la température par la dilution par les gaz brûlés (ballast thermique) Installation semi-industrielle

54 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 54 Quantification des formations des oxydes dazote CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Formations des oxydes dazote - 1 Concentrations Températures Taux de formation en oxyde dazote : NO thermique NO précoce Max min Installation semi-industrielle (Bowman – 1975) (De Soete – 1975)

55 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 55 Quantification des formations des oxydes dazote CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Formations des oxydes dazote - 2 Max min NO précoce :- zone primaire et début de la zone secondaire de réaction NO thermique : - fin de la seconde zone de réaction Installation semi-industrielle

56 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 56 Comparaison qualitative taux de formation / Mesures CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Formations des oxydes dazote - 3 NO précoce : Faible concentration Max min Taux de formation Mesure de concentration en NO Réduction par recombustion Faible production ou Installation semi-industrielle

57 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 57 Max min Taux de formation Mesure de concentration en NO Comparaison qualitative taux de formation / Mesures CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Formations des oxydes dazote - 4 NO précoce : NO thermique : Fortes concentrations Emissions de NOx : Formé par voie thermique Installation semi-industrielle Faible concentration Réduction par recombustion Faible production ou

58 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 58 Dilution par les produits de combustion : CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Formations des oxydes dazote - 5 Isovaleur à la stoechiométrie Présence de NO x et de CO 2 Pas une présence équivalente en NO x Gradient de concentration en NO x suit lisovaleur à la stœchiométrie Produits de combustion recirculent dans une zone : Z > Z Sto T 1000 °C Conditions propices pour un mécanisme de réduction par recombustion « Auto-recombustion » Installation semi-industrielle

59 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 59 Synthèse du cas de référence : CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME La combustion sans flamme Flamme de diffusion Flamme accrochée avec étagement Forte dilution par des inertes (produits de combustion) Diminution de la température Faible taux de formation NO x Auto-recombustion

60 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 60 (Flamme - 2000) Installation semi-industrielle & de laboratoire Mesures globales : CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Effet de la température de préchauffage de lair - 1 Diminution des émissions en NO x avec la diminution du préchauffage Mesures dans la flamme : Diminution de la température moyenne, Disparition des pics de température. T air = 1000°C T air = 25°C T air = 1000°C T air = 25°C Décroissance des taux de formation en NO x Préchauffage de lair : Augmentation du rendement Essentiel pour le régime de combustion Installation semi-industrielle

61 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 61 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Effet de la température de préchauffage de lair - 2 Etagement complet de la combustion, Allongement de la réaction Installation semi-industrielle T air = 1000°C T air = 25°C Régime de combustion sans flamme Températures des gaz recirculants Mesures globales : Diminution des émissions en NO x avec la diminution du préchauffage Mesures dans la flamme : Diminution de la température moyenne, Disparition des pics de température. Préchauffage de lair : Augmentation du rendement Essentiel pour le régime de combustion T air = 1000°C T air = 25°C

62 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 62 Evolution du taux de recirculation CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Effet de la température de préchauffage de lair - 3 Décroissance de K v et K e K v 1 K v calculé en combustion classique Maintien en régime de combustion sans flamme Installation semi-industrielle T air = 1000°C T air = 25°C Géométrie dinjection Dilution du mélange avant réaction (Wünning - 2000)

63 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 63 Diminution de la température Préchauffage de lair Augmentation du rendement énergétique Synthèse de linfluence du préchauffage de lair : CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME La combustion sans flamme Diminution de la puissance entrante Combustion sans flamme possible sans préchauffage de lair Conditions dinjection Recirculation dinertes à haute température Dilution de la réaction Etagement de la combustion Faible taux de formation NO x

64 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 64 (Quinqueneau – 2001) Installation semi-industrielle & de laboratoire Mesures globales : CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Effet du taux daération - 1 Augmentation des émissions en NO x Avec laugmentation du taux daération Mesures dans la flamme : Augmentation de la température moyenne Augmentation de la concentration moyenne de CO =1.1 =1.3 =1.1 =1.3 Augmentation de lintensité locale de combustion Installation semi-industrielle Installations industrielles

65 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 65 Augmentation de la concentration en oxygène dans les gaz recirculants CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Effet du taux daération - 2 Augmentation de la concentration en oxygène dans le mélange tripartie Augmentation de la température Augmentation des taux de formation en NO x =1.1 =1.3 Diminution de la dilution par des espèces inertes Installation semi-industrielleInstallation semi-industrielle & de laboratoire =1.1 =1.3 Installation semi-industrielle

66 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 66 Forte augmentation du taux daération CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Effet du taux daération - 3 Apparition dune troisième zone de réaction à lextérieur des jets Réaction entre le combustible et loxygène des recirculations Installation de laboratoire λ = 1,1 λ = 2,0 λ = 2,2 Combustion riche Formation de suies λ = 1,1λ = 2,2

67 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 67 Augmentation de la température Synthèse de linfluence du taux daération : CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME La combustion sans flamme Diminution de la dilution par des inertes Fort taux de formation NO x Activation de la combustion Apparition dune troisième de combustion riche Combustion sans flamme vs. Combustion pauvre

68 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 68 INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME MOYENS EXPERIMENTAUX CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

69 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 69 Etude expérimentale du régime de combustion sans flamme : CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Conclusions & perspectives - 1 Installation semi-industrielle (Gaz de France) : Conditions de fonctionnement stationnaires proches du milieu industriel Installation de laboratoire (CORIA) : Accès à lensemble de la flamme et confinement variable Mesures dans la flamme : Températures, concentrations, vitesses, chimiluminescence Variation des paramètres de fonctionnement : Puissance, T air, T four, Taux daération, Prémélange en veine centrale, confinement. Traitement et analyse des données : Taux de recirculation et de dilution, fraction de mélange Z, taux de formation en NO x, etc.

70 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 70 Etude expérimentale du régime de combustion sans flamme : CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Conclusions & perspectives - 2 Stabilisation et structure de la flamme Flamme de diffusion accrochée 2 zones de réaction RecirculationPilotées par les injections Formation en NO x Voie thermique Phénomène dauto-recombustion Température de préchauffage Etagement de la combustion Maintien du régime de combustion : Conditions dinjection Conditions de mélange Taux daération Création dune troisième zone de réaction Diminution de la dilution par des espèces inertes Vers un régime de combustion classique

71 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 71 La combustion sans flamme : CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Conclusion & perspectives - 3 Combustion diluée particulière Taux de dilution > 1 ; (Kv 2 à 3), Espèces inertes, Haute température. Perspectives : Caractérisation détaillée des mécanismes de stabilisation de la zone primaire de réaction Brûleur régénératifs : Géométrie Combustion sans flamme Autres applications : 3 conditions Extension du régime de combustion sans flamme à dautres applications : Type de combustible Configuration dinjection Simulations numériques

72 Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 72 ETUDE EXPERIMENTALE DES CHAMPS DYNAMIQUES ET SCALAIRES DE LA COMBUSTION SANS FLAMME Eric MASSON 5 octobre 2005 Discipline : Physique Spécialité : Energétique Ecole doctorale SPMI