ETUDE EXPERIMENTALE DES CHAMPS DYNAMIQUES ET SCALAIRES DE LA COMBUSTION SANS FLAMME
Résumé
Flameless combustion is an innovating combustion mode in the domain of the energy savings and pollutants emissions reducing, which is not yet fully explained. The aim of this study is to characterize its mechanisms from experimental investigations. Complementary, an experimental facility has been built at laboratory scale. The unique characteristics of this facility are the possible easy change of one of combustion chamber dimensions while keeping same other operating conditions. First part of the study has been performed at semi-industrial scale. Several in-flame measurements have been performed to characterize the flame stabilisation mode, reactive zone structure, the flue gas recirculation and its effect on combustion and NOx emissions. Different parameters (thermal input, air temperature, wall temperature, excess air ratio, flame confinement) have been changed in order to characterize their effects on flameless combustion regime.
Results show that the flame can be divided in two zones. Whereas the main reaction occurs when central air and external natural gas high velocity jets merge, a first reactive zone is also observed in the internal recirculation zone, assuring flame stabilization. Flue gas recirculation is also pointed out and quantified from in-flame measurements. Re-entrained in the main flow, these recirculating gases induce large dilution in the main reactive region where CO concentration and temperature remain at low levels. Nitrogen oxides are mainly produced by the thermal NO process. Moreover, a reduction mechanism in the flame of recirculating NO can be observed. The parametric study shows that if the changing of the thermal input has not effect on the combustion regime, the flameless combustion is achievable with no preheated air. However, an increase of excess air ratio increase reduces the reactive zone dilution by inert gas. For highs excess air ratio, we can observe a third reaction zone in the external part of the natural gas jets.
Results show that the flame can be divided in two zones. Whereas the main reaction occurs when central air and external natural gas high velocity jets merge, a first reactive zone is also observed in the internal recirculation zone, assuring flame stabilization. Flue gas recirculation is also pointed out and quantified from in-flame measurements. Re-entrained in the main flow, these recirculating gases induce large dilution in the main reactive region where CO concentration and temperature remain at low levels. Nitrogen oxides are mainly produced by the thermal NO process. Moreover, a reduction mechanism in the flame of recirculating NO can be observed. The parametric study shows that if the changing of the thermal input has not effect on the combustion regime, the flameless combustion is achievable with no preheated air. However, an increase of excess air ratio increase reduces the reactive zone dilution by inert gas. For highs excess air ratio, we can observe a third reaction zone in the external part of the natural gas jets.
La combustion sans flamme est un mode de combustion innovant dans le domaine des économies d'énergie et de la réduction des émissions polluantes, qui reste toutefois encore peu étudié. L'objectif de cette étude est de caractériser ces mécanismes par une étude expérimentale. La première étape de cette étude a été réalisée sur une installation d'essais semi-industrielle. Différents moyens de mesure dans la flamme ont été utilisés pour caractériser le mode d'accrochage de la flamme, la structure des zones de réactives, les recirculations des produits de combustion et leur impact sur la combustion et les émissions polluantes. Parallèlement, une installation d'essais de laboratoire à été mise en place. La caractéristique essentielle de cette installation est la possibilité de changer une des dimensions de la chambre tout en gardant identiques les conditions opératoires. Différents paramètres (puissance, température de l'air, température des parois, taux d'aération, confinement de la flamme) sont modifiés afin de caractériser leur impact sur le régime de combustion sans flamme.
Les résultats montrent que la flamme peut être divisée en deux zones. Alors que la réaction principale se situe où le jet d'air et de gaz naturel se rejoignent, une première zone réactive est aussi observée dans la zone de recirculation interne, assurant la stabilisation de la flamme. La recirculation des produits de combustion est mise en évidence et quantifiée à partir des résultats des mesures dans la flamme. Entraînées par l'écoulement principal, ces recirculations induisent une importante dilution dans les zones réactives, où la concentration en CO et la température restent à de faibles niveaux. Les oxydes d'azote sont principalement produits par voie thermique, mais restent très faibles. Par ailleurs, un mécanisme de réduction dans la flamme des oxyde d'azote présents dans les recirculations peut être observé. L'étude paramétrique montre que si la puissance n'a pas d'influence sur le régime de combustion, la combustion sans flamme est possible avec de l'air non préchauffé. Par ailleurs, une augmentation du taux d'aération réduit la dilution de la zone réactive par les inertes. Pour de fortes augmentations du taux d'aération, on peut observer l'apparition d'une troisième zone de réaction à l'extérieur des jets de gaz naturel ; on quitte alors le régime de combustion sans flamme
Les résultats montrent que la flamme peut être divisée en deux zones. Alors que la réaction principale se situe où le jet d'air et de gaz naturel se rejoignent, une première zone réactive est aussi observée dans la zone de recirculation interne, assurant la stabilisation de la flamme. La recirculation des produits de combustion est mise en évidence et quantifiée à partir des résultats des mesures dans la flamme. Entraînées par l'écoulement principal, ces recirculations induisent une importante dilution dans les zones réactives, où la concentration en CO et la température restent à de faibles niveaux. Les oxydes d'azote sont principalement produits par voie thermique, mais restent très faibles. Par ailleurs, un mécanisme de réduction dans la flamme des oxyde d'azote présents dans les recirculations peut être observé. L'étude paramétrique montre que si la puissance n'a pas d'influence sur le régime de combustion, la combustion sans flamme est possible avec de l'air non préchauffé. Par ailleurs, une augmentation du taux d'aération réduit la dilution de la zone réactive par les inertes. Pour de fortes augmentations du taux d'aération, on peut observer l'apparition d'une troisième zone de réaction à l'extérieur des jets de gaz naturel ; on quitte alors le régime de combustion sans flamme
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