Soutenance de thse 5 octobre 2005 ETUDE EXPERIMENTALE

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

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

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

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 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 D’AZOTE 4

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

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 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 INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME Pollution atmosphérique provenant de la combustion : Dioxyde de carbone Provient directement de la combustion Oxydes d’azote Trois voies de formation • • • Précoce Thermique Combustible Effet de serre Pluies acides, Brouillard oxydant Augmentation de l’efficacité énergétique : Méthodes primaires • Préchauffage de l’air par les fumées : 9 Augmentation des émissions en oxydes d’azote • • • Oxy-combustion, Dilution du mélange réactif Etagement de la combustion Méthodes secondaires • • • Recombustion, Réduction Sélective Non Catalytique Réduction Sélective Catalytique 7

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME Ressources en énergie fossile Ressources en énergie : L'essentiel de la production d'énergie repose sur les combustibles fossiles : pétrole, gaz naturel et charbon, Réserves limitées : Décroissance de la production : 9 Tensions croissantes sur les prix des ressources Augmentation de l’efficacité 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 % 9 Un point de levier intéressant Beaucoup de domaines utilisent des foyers industriels 9 Améliorer leur efficacité énergétique effets bénéfiques sur la consommation globale en gaz naturel. 8

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME La combustion sans flamme Amélioration de l’efficacité énergétique Réduction des émissions en NOx 9 Etudes et amélioration des brûleurs « bas-NOx » « combustion sans flamme » 9 Etudes et amélioration des brûleurs régénératifs 9

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME La combustion sans flamme : Pas d’émission visible de Chimiluminescence, FLOX© : Flameless Combustion, Préchauffage de l’air, Hi. TAC : High Temperature Air Combustion, HPAC : High Preheated Air Combustion, Fortes vitesses d’injection 9 Recirculation des produits de combustion 9 Dilution des réactifs MILD Combustion : Moderate and Intense Low Dilution Oxygen Combustion, Diluted Combustion. Température homogène spatialement & temporellement 9 Bruit de combustion faible Faibles émissions de NOx. 10

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

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

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

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

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

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 INTRODUCTION A LA COMBUSTION SANS FLAMME Effet de la dilution : Formations et émissions des oxydes d’azote - 1 Formations et émissions des oxydes d’azote : Emissions des oxydes d’azote Réduction des émissions avec la dilution de l’air ou du combustible Formation des oxydes d’azote Dilution avec CO 2 ou N 2 9 Diminution de la température N 2 Dilution avec produits de combustion 9 Effet sur la cinétique chimique. 9 Destruction du NO en HNO CO 2 Gaz brûlés (Choi - 1998) 16

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

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

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 MOYENS EXPERIMENTAUX Moyens d’essais : Installation d’essais semi-industrielle (Gaz de France) Réchauffeur électrique Connexion coulissant réchauffeur/ brûleur But : mesures dans la. Tampon flamme Régime stationnaire Charge Section de mesures 9 Brûleur impossible Réchauffeur électrique Dansrégénératif la flamme Brûleur Chambre principale Sonde de mesures • Tair = 25 °C – 1000 °C • Qair = 210 m 3(n)/h Zone de mesures : ∅ 1000 x 1000 mm 2 Accès de mesures supplémentaires à 1500 mm, 2000 mm du brûleur 19

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

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

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

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

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 MOYENS EXPERIMENTAUX Moyens d’essais : Installation d’essais de laboratoire - 5 Installation de laboratoire : Système d’alimentation et de conduite 3 Types d’alimentation : Combustible Comburant Alimentation du brûleur (20 k. W) Eau Maintien en température de la chambre (TMAX = 1200 °C) Préchauffage de l’air (TMAX = 800 °C) Mise en régime : 7 h 00 9 Supervision 24 h/24 h 24

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

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 MOYENS EXPERIMENTAUX Moyens d’essais : Brûleurs d’essais - 2 Brûleurs d’essais Installation semi-industrielle : Géométrie simplifiée par rapport au modèle commercial NFK HRS-DL 2. 5 : 9 Préchauffage électrique : pas de régénérateur, 9 Un seul couple d’injection de combustible, 9 Une injection de combustible en veine centrale, Installation de laboratoire : Caractéristiques des injections identiques au brûleur semi-industriel : 9 Calcul de similitude basé sur la conservation du taux de recirculation et du rapport des vitesses d’injection, 9 Conservation du congé en sortie de la veine d’air. 9 Congé en sortie de veine d’air. Caractéristiques des injecteurs identiques au modèle commercial (injections parallèles) 26

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 MOYENS EXPERIMENTAUX Moyens d’essais : Brûleurs d’essais - 3 Brûleurs d’essais Installation semi-industrielle : Point de fonctionnement identique à celui du modèle commercial : 9 P = 200 k. W, 9 Tair = 1000°C, 9 Tfour = 1300°C, 9 λ = 1, 1 Installation de laboratoire : Point de fonctionnement : P = 100 k. W, 9 P = 20 k. W, Tair = 25 °C, 9 Tair = 600°C, Tfour = 1100°C, 9 Tfour = 1000°C, λ = 1, 3 9 λ = 1, 1, λ = 2, 2, 9 confinement faible confinement fort Tair = 25°C, 27

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 MOYENS EXPERIMENTAUX Techniques de mesures – Mesures globales Installation semi-industrielle : Installation de laboratoire : Entrée : 9 Débits, compositions et températures des réactifs Sortie : 9 Composition et température des fumées Sortie : 9 Température d’entrée et de sortie et débit d’eau de la charge, 9 Températures internes et externes des parois, 28

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Puissance Stabilisation de la flamme Température de l’air Structures des zones réactives Température du four Recirculations externes et dilutions Taux d’aération Formations des oxydes d’azote Prémélange en veine d’air Confinements 38

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

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Stabilisation de la flamme - 2 Profils radiaux de vitesses axiales (ADL) : Valeurs négatives entre les jets d’air et de combustible Max min 9 Zone de recirculation interne provoquée par effet de sillage Installation semi-industrielle 40

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

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Stabilisation de la flamme - 4 Champ de températures moyennes et Isocontour stœchiométrique Conditions locales stœchiométriques et T ≥ 1000°C 9 Activation de la réaction 9 Combustion dans la ZRi Accrochage de la flamme dans la ZRi Installation semi-industrielle 42

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

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Structures des zones réactives - 2 Champs de concentrations moyennes en CO, de Températures et de vitesses axiales 2 zones de réactions distinctes Primaire -Sur le bord de la ZRi, coté jet d’air, -Faible élévation locale de température, -Faible émission OH, 9 Accrochage de la flamme Secondaire -Débute dans la zone de fusion des jets, Chimiluminescence OH -Dans la couche de mélange des jets -Elévation locale de température plus élevée, -Emission OH plus élevée, 9 Dégagement principal de chaleur Installation semi-industrielle & de laboratoire 44

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

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

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Structures des zones réactives - 6 Détermination du régime de combustion En combustion classique : Brûleur à air préchauffé et double injection de gaz (Direction de la recherche de Gaz de France) 9 Trois mesures : 3 rapports de débit entre les injections HP / BP H 20 B 80 H 33 B 67 H 50 B 50 § Evolution de type flamme de diffusion H 20 B 80 § Superposition des deux évolutions avec et sans combustion 9 Prémélange non réactif – flamme liftée H 20 B 80 Installation semi-industrielle H 50 B 50 47

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

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Recirculations externes et dilutions - 1 Mise en évidence des recirculations externes et dilutions Concentrations en CO 2 et NOx égales aux mesures en sortie Vitesses négatives dans la zone extérieure 9 Recirculations externes (aux jets et zones de réactions) Max min Installation semi-industrielle 49

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Recirculations externes et dilutions - 2 Quantification des recirculations externes et dilutions Concentrations Températures Vitesses ment îne Entra Recirculation 9 Taux de recirculation : kv 9 Taux d’entraînement : Ke Comparaison avec une simulation 3 D non réactive (FLUENT®) Mesure = Simulation 9 Faible gradient de température Pilotage par l’aérodynamique Installation semi-industrielle 50

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

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

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Recirculations externes et dilutions - 5 Effet des recirculations sur la température 9 Mesures : Température maximale 9 Modèle : Température adiabatique < Taux de recirculation expérimental Combustion classique Combustion sans flamme Classique CORIA Gaz de France FRIF CORIA – Gaz de France FRIF Diminution de la température par la dilution par les gaz brûlés (ballast thermique) Installation semi-industrielle 53

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

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

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Formations des oxydes d’azote - 3 Comparaison qualitative taux de formation / Mesures NO précoce : Taux de formation Max Faible concentration 9 Faible production ou 9 Réduction par recombustion min Mesure de concentration en NO Installation semi-industrielle 56

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Formations des oxydes d’azote - 4 Comparaison qualitative taux de formation / Mesures NO précoce : Taux de formation Max Faible concentration 9 Faible production ou 9 Réduction par recombustion min NO thermique : Fortes concentrations Mesure de concentration en NO 9 Emissions de NOx : Formé par voie thermique Installation semi-industrielle 57

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Formations des oxydes d’azote - 5 Dilution par les produits de combustion : Présence de NOx et de CO 2 9 Pas une présence équivalente en NOx 9 Gradient de concentration en NOx suit l’isovaleur à la stœchiométrie Produits de combustion recirculent dans une zone : § Z > ZSto Conditions propices pour un mécanisme de réduction par recombustion § T ≥ 1000 °C « Auto-recombustion » Isovaleur à la stoechiométrie Installation semi-industrielle 58

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME La combustion sans flamme Synthèse du cas de référence : Flamme de diffusion Flamme accrochée avec étagement Forte dilution par des inertes (produits de combustion) 9 Diminution de la température 9 Faible taux de formation NOx 9 Auto-recombustion 59

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Effet de la température de préchauffage de l’air - 1 Préchauffage de l’air : Tair = 1000°C Augmentation du rendement Essentiel pour le régime de combustion Mesures globales : Tair = 25°C Tair = 1000°C (Flamme - 2000) Diminution des émissions en NOx avec la diminution du préchauffage Mesures dans la flamme : Diminution de la température moyenne, Disparition des pics de température. Tair = 25°C Installationsemi-industrielle& de laboratoire Décroissance des taux de formation en NOx 60

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Effet de la température de préchauffage de l’air - 2 Tair = 1000°C Préchauffage de l’air : Augmentation du rendement Essentiel pour le régime de combustion Mesures globales : Tair = 25°C Tair = 1000°C Diminution des émissions en NOx avec la diminution du préchauffage Mesures dans la flamme : Diminution de la température moyenne, Disparition des pics de température. Etagement complet de la combustion, Allongement de la réaction Tair = 25°C Régime de combustion sans flamme Températures des gaz recirculants Installation semi-industrielle 61

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Effet de la température de préchauffage de l’air - 3 Tair = 1000°C Evolution du taux de recirculation Décroissance de Kv et Ke Kv ≈ 1 Kv calculé en combustion classique Maintien en régime de combustion sans flamme Tair = 25°C 9 Géométrie d’injection Dilution du mélange avant réaction (Wünning - 2000) Installation semi-industrielle 62

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME La combustion sans flamme Synthèse de l’influence du préchauffage de l’air : Etagement de la combustion Diminution de la puissance entrante 9 Diminution de la température 9 Faible taux de formation NOx Combustion sans flamme possible sans préchauffage de l’air Préchauffage de l’air Augmentation du rendement énergétique Conditions d’injection Recirculation d’inertes à haute température Dilution de la réaction 63

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Effet du taux d’aération - 1 Installations industrielles l=1. 1 Mesures globales : Augmentation des émissions en NOx Avec l’augmentation du taux d’aération l=1. 3 (Quinqueneau – 2001) Mesures dans la flamme : Augmentation de la température moyenne l=1. 1 Augmentation de la concentration moyenne de CO Augmentation de l’intensité locale de combustion l=1. 3 Installation semi-industrielle & de laboratoire 64

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Effet du taux d’aération - 2 l=1. 1 Augmentation de la concentration en oxygène dans les gaz recirculants Augmentation de la concentration en oxygène dans le mélange tripartie Diminution de la dilution par des espèces inertes l=1. 3 Augmentation de la température l=1. 1 Augmentation des taux de formation en NOx l=1. 3 Installation semi-industrielle & de laboratoire 65

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME Effet du taux d’aération - 3 λ = 1, 1 Forte augmentation du taux d’aération Apparition d’une troisième zone de réaction à l’extérieur des jets λ = 2, 0 Réaction entre le combustible et l’oxygène des recirculations 9 Combustion riche 9 Formation de suies λ = 2, 2 λ = 1, 1 Installation de laboratoire λ = 2, 2 66

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CARACTERISATION DU REGIME DE COMBUSTION SANS FLAMME La combustion sans flamme Synthèse de l’influence du taux d’aération : Diminution de la dilution par des inertes 9 Activation de la combustion 9 Augmentation de la température 9 Fort taux de formation NOx 9 Apparition d’une troisième de combustion riche Combustion sans flamme vs. Combustion pauvre 67

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

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Conclusions & perspectives - 1 Etude expérimentale du régime de combustion sans flamme : Installation semi-industrielle (Gaz de France) : Conditions de fonctionnement stationnaires proches du milieu industriel Installation de laboratoire (CORIA) : Accès à l’ensemble de la flamme et confinement variable Mesures dans la flamme : Températures, concentrations, vitesses, chimiluminescence Variation des paramètres de fonctionnement : Puissance, Tair, Tfour, Taux d’aération, Prémélange en veine centrale, confinement. Traitement et analyse des données : Taux de recirculation et de dilution, fraction de mélange Z, taux de formation en NOx, etc. 69

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Conclusions & perspectives - 2 Etude expérimentale du régime de combustion sans flamme : Flamme de diffusion accrochée Stabilisation et structure de la flamme 2 zones de réaction Recirculation Pilotées par les injections Voie thermique Formation en NOx Phénomène d’auto-recombustion Etagement de la combustion Température de préchauffage Maintien du régime de combustion : § Conditions d’injection § Conditions de mélange Diminution de la dilution par des espèces inertes Taux d’aération Vers un régime de combustion classique Création d’une troisième zone de réaction 70

Soutenance de thèse – 5 octobre 2005 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Conclusion & perspectives - 3 La combustion sans flamme : Combustion diluée particulière Taux de dilution > 1 ; (Kv ≥ 2 à 3), Espèces inertes, Haute température. Perspectives : Brûleur régénératifs : 9 Géométrie 9 Combustion sans flamme Autres applications : Caractérisation détaillée des mécanismes de stabilisation de la zone primaire de réaction Extension du régime de combustion sans flamme à d’autres applications : 9 Type de combustible 9 Configuration d’injection 9 3 conditions Simulations numériques 71

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