Study of the extension of the flameless combustion regime to methane/hydrogen mixtures and to low temperature environments
Etude de l’extension du régime de combustion sans flamme aux mélanges Méthane/Hydrogène et aux environnements à basse température
Résumé
Mild flameless combustion is a massively diluted combustion regime associating high energy efficiency and very low pollutant emissions from industrial furnaces. The fuel composition and walls temperature are two very influential parameters of this combustion regime. In previous works realized at CORIA, flameless combustion of methane - hydrogen mixtures at 18% of excess air has shown very promising results. In another hand, high walls temperature is an essential element for flameless combustion stabilization. Within the framework of the project CANOE in collaboration with GDF SUEZ and ADEME, the objective of this PhD thesis is to complete the study of flameless combustion for methane-hydrogen mixtures in operating conditions similar to classical operating conditions of burners (10% of excess air), and in another hand, to study the stability limits of this combustion regime in low temperature environment like in industrial boiler.Experiments realized on the CORIA high temperature pilot facility, have proved that hydrogen addition in the fuel keep flameless combustion regime stable for all methane - hydrogen proportions, with very ultra-low pollutant emissions. An increase of excess air is however necessary for some operating conditions.Experiments realized with wall temperature progressive decrease allowed to study the influence of this parameter on flameless combustion, and to reach its stability limits. Similar results are obtained on the semi-industrial facility of GDF SUEZ. With hydrogen addition, flameless combustion is less sensitive to wall temperature decrease. An analytical representation of confined turbulent jets has been then developed to represent interaction between the reactant jets and their environment in the combustion chamber allowing reaching fameless combustion regime by entrainment, dilution and preheating. The effect of each parameter on the development of the jets can be then studied, which can be used as convenient tool of flameless combustion burners design. The heat quantity necessary for the low wall temperature stabilization has been quantified. On this base, a burner adapted to the configurations with cold walls has been designed. The applicability of the flameless combustion with this burner has been studied in a combustion chamber with low wall temperature specially designed for this purpose during this thesis. A mild diluted combustion regime has been achieved, but the high levels of unburnt gases have to be reduced.
La combustion sans flamme est un régime de combustion massivement dilué associant forte efficacité énergétique et très faibles émissions polluantes dans les fours industriels. La composition du combustible et la température des parois de la chambre de combustion sont deux paramètres très influents de ce régime. Dans de précédents travaux menés au CORIA, l’étude du régime de combustion sans flamme des mélanges méthane-hydrogène à 18% d’excès d’air a mené à des résultats originaux et prometteurs. D’autre part, la haute température des parois s’est avérée un élément primordial pour la stabilisation de la combustion sans flamme. Dans le cadre du projet CANOE en collaboration avec GDF SUEZ et l’ADEME, cette thèse a pour objectif, d’une part de compléter l’étude de l’extension de ce régime à des mélanges méthane-hydrogène pour des conditions opératoires plus proches des conditions classiques de fonctionnement de brûleurs (10% d’excès d’air), et d’autre part, d'étudier les problèmes de stabilité de la combustion sans flamme en environnement à basse température pour envisager son application à des configurations de type chaudière industrielle.Sur le four pilote à hautes températures de parois du CORIA, l’ajout de l’hydrogène dans le combustible a permis de garder le régime de combustion sans flamme pour toutes les proportions méthane - hydrogène avec très peu d’émissions polluantes. Une augmentation de l’excès d’air est toutefois nécessaire pour certaines conditions opératoires. Les expériences réalisées avec abaissement progressif de la température des parois ont permis d’étudier l’influence de celle-ci sur le développement de la combustion sans flamme, et d’atteindre les limites de stabilité de ce régime. Des résultats similaires sont obtenus sur une installation semi-industrielle de GDF SUEZ. L’ajout d’hydrogène rend la combustion sans flamme moins sensible à l’abaissement de la température de parois. Une étude analytique de jets turbulents confinés a été développée pour représenter l'interaction entre les jets de réactifs et leur environnement dans la chambre de combustion permettant d'atteindre le régime de combustion sans flamme par entraînement, dilution et préchauffage. Ce modèle nous a permis d’établir une étude systématique permettant de mettre en valeur l’effet de chaque paramètre sur le développement des jets dans l’enceinte, et ainsi servir de moyen de pré-dimensionnement de brûleur à combustion sans flamme. L'apport de chaleur nécessaire à la stabilisation à basse température a ainsi été estimé. Sur cette base, un brûleur adapté aux configurations à parois froides a été dimensionné et fabriqué. L’applicabilité de la combustion sans flamme avec ce brûleur dans une chambre de combustion à parois froides, spécialement conçue et fabriquée dans cet objectif au cours de cette thèse, a été étudiée. Un régime de combustion diluée à basses températures a pu être stabilisé, mais le fort taux d'imbrûlés produits en sortie reste à réduire.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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