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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
