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Francisco CADAVID (1), Thomas LE BRIS (2), Sébastien CAILLAT(2), Stanislas PIETRZYK(3), Jacques BLONDIN (4)

Modélisation numérique de la réduction des NOx dans un four expérimental de 4MW à charbon par la méthode du reburning

(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)

Journées François LACAS

–

Journée des Doctorants en Combustion

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Combustion du charbon pulvérisé

• Pyrolyse

• Devolatilisation

• Combustion du résidu carboné

• Chimie en phase homogène

• Chimie en phase heterogène

• Ecoulements bi-phasique

Un probleme multi-physique

• Radiation

(Williams)

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Combustion du charbon pulvérisé

Paramètres:

• Température maximum

• Vitesse de chauffe

• Rang

• Maceraux

• …

Composition variable :

• Volatils légers, des goudrons

• Composés cycliques,

• Aromatiques,

• Aliphatiques

→ Craquage et polymérisation

(Alonso)

(CPM)

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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)

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Combustion du charbon pulvérisé

Sources• NO-Précoce• NO-Thermique• NO-Combustible

Réduction• Milieu réducteur• Surface du résidu carboné

Thermal-NO :

Zeldovitch

Prompt-NO :

Neglected

Fuel-NO :

De Soete

Reburning : Yang

(De Soete)

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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

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Modèles numériques

Radiation

• Harmoniques sphèriques du premier ordre (P-1)

• Adapté pour les milieux optiquement épais

Écoulement Bi-phasique

• Représentation Lagrangienne

• Permet d’avoir un suivi des particules

Turbulence

• k-epsilon: simple et robuste

• Vitesses tangentielles sous-estimées

• Moyenne de Favre (densité)

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Modèles numériques

Chimie en phase homogène

• Fraction de mélange

• Probability density function (PDF) Pseudo-équilibre possible Espèces intermédiaires

Dévolatilisation

• Modèle : Single kinetic rate (Badzioch and Hawksley)

• Modèle : Two kinetic rates testé avec des résultats irréalistes

• CH4 est le combustible dévolatilisé

Oxydation du résidu carboné

• O2 comme oxydant

• Contrôle de la vitesse de réaction par diffusion

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Modèles numériques

Turbulence k-epsilon

Ecoulement biphasique

Eulerien/Lagrangien

RadiationFirst Order Spherical Harmonics (P-1)

Chimie en phase homogène

Probability Density Function (PDF)

DévolatilisationSingle 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

Modèles utilisés

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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:

VitessesTempératuresEspèces

• Surcombustion réductrice testée avec du gaz et du charbon

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Le reburning sur la chaudière du CERCHAR

Modélisation de la concentration d’oxygène dans le four

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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)

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Conclusions

Résultats corrects en moyenne;moins satisfaisants dans les details

Des phénomènes physiques moyennés donnent des résultats moyénnés.

Reynolds, FavreComposition des charbons variablesTaille 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

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Merci pour votre attention

Thomas.le.bris@ensm-douai.fr