Etude expérimentale et modélisation de flammes pauvres prémélangées CH4/C2H6/C3H8/H2 à

basse pression

S. de FERRIERES, A. EL BAKALI, J-F. PAUWELS, M. MONTERO

Laboratoire de PhysicoChimie des Processus de Combustion et de l ’AtmosphèrePC2A - UMR CNRS 8522

Université des Sciences et Technologies de Lille59655 Villeneuve d’Ascq Cedex France

Introduction

La combustion pauvre Température de combustion moins élevéeRéduction des émissions de NO thermiques

Concentrations en carbone et en oxygène plus faibles

Réduction de CO, CO2

La substitution d’hydrogène Meilleure stabilité Diminution du carbone et de l’oxygène

Sommaire

Dispositif expérimental

Résultats expérimentaux

Modélisation cinétiqueMécanismes GRI 3.0 et GDF-Kin

3.0Comparaison expérience -

modélisation

Conclusions et perspectives

Premixed gases(CH4/C2H6/C3H8), O2, N2,

H2

Pumping station

Extraction and

compression chamber

Gas Chromatography

Analysis(GC/TCD/FID –

GC/MS)Pumping station

Dispositif expérimental

Flammes plates basse pression

Combustion chamber

Moving Flat flame burner

Quartz microprobe

Flammes prémélangées [CH4/C2H6/C3H8/H2]/O2/N2

Techniques d’imagerie

X. Mercier

C1C2C3/ 0% H2 C1C2C3/ 60% H2

Flammes laminaires de gaz naturel synthétiqueet de gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7)

Etude de la stabilité et du caractère monodimensionnel des flammes

Flammes diluées avec 72% N2

P = 60 Torr - Débit global : 310 L.h-1

Flammes gaz naturel/air, (80% gaz naturel / 20% hydrogène) / air, (40% gaz naturel / 60% hydrogène) / air

Φ= 0,7

Caractéristiques des flammes étudiées

100%GN 80%GN/20%H2 40%GN/60%H2CH4 0.0611 0.0546 0.0371C2H6 0.0062 0.0055 0.0038C3H8 0.0014 0.0013 0.0008O2 0.2136 0.2055 0.1174H2 0 0.0156 0.063N2 0.7178 0.7175 0.7179

Résultats expérimentaux

Profils de fraction molaire des espèces stables

0 0.2 0.4 0.6 0.80.1 0.3 0.5 0.7

Burner d istance (cm )

0

0.02

0.04

0.06

0.01

0.03

0.05

Mo

lar

fra

ctio

n

Lean C1C2C3 flam eM ole fraction o f CH4

0% H2

20% H2

60% H2

Réactifs : CH4 et C2H6

Structure des flammes laminaires de gaz naturel et gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7)

0 0.2 0.4 0.6 0.80.1 0.3 0.5 0.7

Burner d istance (cm )

0

0.02

0.04

0.06

0.01

0.03

0.05

Mo

lar

fra

ctio

n

L ean C1C2C3 flam eM ole fraction o f CH4

0% H2

20% H2

60% H2

0 0.2 0.4 0.6 0.80.1 0.3 0.5 0.7

Burner d istance (cm )

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.001

0.003

0.005

0.007

Mo

lar

fra

ctio

n

Lean C 1C2C 3 flam eM ole fraction of C2H 6

0% H2

20% H2

60% H2

CH4 C2H6

Espèces intermédiaires: C2H4 et C2H2

0 0.2 0.4 0.6 0.80.1 0.3 0.5 0.7

Burner d istance (cm )

0

0.0004

0.0008

0.0012

0.0002

0.0006

0.001

Mo

lar

fra

ctio

n

L ean C1C2C3 flam eM ole fraction o f C2H4

0% H2

20% H2

60% H2

-68%

0 0.2 0.4 0.6 0.80.1 0.3 0.5 0.7

Burner d istance (cm )

0

4E-005

8E-005

0.00012

0.00016

2E-005

6E-005

0.0001

0.00014

Mo

lar

fra

ctio

n

L ean C1C2C3 flam eM ole fraction o f C2H2

0% H2

20% H2

60% H2

-80%

C2H4 C2H2

Structure des flammes laminaires de gaz naturel et gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7)

0 0.4 0.8 1.2 1.60.2 0.6 1 1.4

Burner d istance (cm )

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.005

0.015

0.025

0.035

Mo

lar

fra

ctio

n

Lean C 1C2C 3 flam eM ole fraction of CO

0% H2

20% H2

60% H2

Produits de combustion: CO et CO2

-39%

0 0.4 0.8 1.2 1.6 20.2 0.6 1 1.4 1.8

Burner d istance (cm )

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.01

0.03

0.05

0.07

Mo

lar

fra

ctio

n

Lean C 1C2C 3 flam eM ole fraction of CO 2

0% H2

20% H2

60% H2

-37%

CO2CO

Structure des flammes laminaires de gaz naturel et gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7)

Profils de température

0 5 10 15 20 25D istance therm ocouple-brû leur (m m )

0.0E+000

4.0E+002

8.0E+002

1.2E+003

1.6E+003

2.0E+003

Tem

péra

ture

(K

)

T0% H 220% H 260% H 2

•Thermocouple recouvert

• Correction des pertes

par radiation

Structure des flammes laminaires de gaz naturel et gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7)

- Modélisation cinétique

- Codes de calcul PREMIX (CHEMKIN II)

- Mécanismes GDF-Kin®3.0 et GRI3.0.

- Comparaison des profils de fraction molaire des espèces expérimentaux et modélisés

Structure des flammes laminaires de gaz naturel et gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7)

Modélisation cinétique des flammes

GDF-Kin®3.0 121 espèces et 874 réactions El Bakali et al., 2006

GRI3.0 53 espèces et 325 réactions G. Smith et al., 1999

Mécanismeréactions

Base de données thermodynamiques

Cpk°, Hk°, Sk°

Base de données de transport

PREMIX

Librairie de sous-programmesCHEMKIN II

Profils de fractions molaires modélisés

caractéristiques des flammes

Texp (K)

Comparaison expérience - modélisationRéactif : CH4

C1C2C3/ 0% H2 C1C2C3/ 60% H2

0 2 4 6 8D istance from the burner surface (m m )

0.0E+000

2.0E-002

4.0E-002

6.0E-002

8.0E-002

Mol

e fr

actio

n

C H 4Exp.G D F-K in® 3.0G R I 3 .0

0 2 4 6 8D istance from the burner surface (m m )

0.0E+000

1.0E-002

2.0E-002

3.0E-002

4.0E-002

Mol

e fr

actio

n

C H 4Exp.G D F-K in® 3.0G R I 3 .0

C1C2C3/ 0% H2 C1C2C3/ 60% H2

Comparaison expérience - modélisationRéactif : C2H6

0 2 4 6 8D istance from the burner surface (m m )

0.0E+000

2.0E-003

4.0E-003

6.0E-003

8.0E-003

Mol

e fr

actio

n

C 2H 6Exp.G D F-K in® 3.0G R I 3 .0

0 2 4 6 8D istance from the burner surface (m m )

0.0E+000

1.0E-003

2.0E-003

3.0E-003

4.0E-003

Mol

e fr

actio

n

C 2H 6Exp.G D F-K in® 3.0G R I 3 .0

0 4 8 12 16D istance from the burner surface (m m )

0.0E+000

5.0E-003

1.0E-002

1.5E-002

2.0E-002

2.5E-002

3.0E-002

Mol

e fr

actio

n

C OExp.G D F-K in® 3.0G R I 3 .0

C1C2C3/ 0% H2 C1C2C3/ 60% H2

Comparaison expérience - modélisationProduit de combustion : CO

0 4 8 12 16D istance from the burner surface (m m )

0.0E+000

1.0E-002

2.0E-002

3.0E-002

4.0E-002

Mol

e fr

actio

n

C OExp.G D F-K in® 3.0G R I 3 .0

0 2 4 6 8D istance from the burner surface (m m )

0.0E+000

1.0E-005

2.0E-005

3.0E-005

Mol

e fr

actio

n

C 2H 2Exp.G D F-K in® 3.0G R I3.0

0 2 4 6 8D istance from the burner surface (m m )

0.0E+000

4.0E-005

8.0E-005

1.2E-004

1.6E-004

Mol

e fr

actio

n

C 2H 2Exp.G D F-K in® 3.0G R I® 3.0

Comparaison expérience - modélisation Espèce intermédiaire : C2H2

53%

C1C2C3/ 0% H2 C1C2C3/ 60% H2

61%

88%82%

0 2 4 6 8D istance from the burner surface (m m )

0.0E+000

1.0E-004

2.0E-004

3.0E-004

4.0E-004

Mol

e fr

actio

n

C 2H 4Exp.G D F-K in® 3.0G R I3.0

0 2 4 6 8D istance from the burner surface (m m )

0.0E+000

4.0E-004

8.0E-004

1.2E-003

Mol

e fr

actio

n

C 2H 4Exp.G D F-K in® 3.0G R I® 3.0

Comparaison expérience - modélisation Espèce intermédiaire : C2H4

43%

C1C2C3/ 0% H2 C1C2C3/ 60% H2

30%

48%

Peut-on considérer que l’hydrogène est responsable de la réduction de CO et de CO2 dans les flammes de GN/H2?

Deux flammes prémélangées étudiées à 60 Torr

6.6% GN / 19.4% O2 / 74% N2

C = 0.75

6.6% GN / 9.7% H2 / 19.4% O2 / 64.3% N2

C+H = 1 , C = 0.75

Rôle de l’hydrogène sur la réduction de CO et CO2

0 0 .4 0 .8 1 .2 1 .6 20.2 0.6 1 1.4 1.8

Burner d istance (cm )

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.01

0.03

0.05

0.07

Mo

lar

fra

ctio

n

CO20% H 2

60% H 2

0 0 .4 0 .8 1 .2 1 .6 20.2 0.6 1 1.4 1.8

Burner d istance (cm )

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.005

0.015

0.025

0.035

Mo

lar

fra

ctio

n

CO0% H 2

60% H 2

Rôle de l’hydrogène sur la réduction de CO et CO2

(% H2 dans le combustible)

• Etude de la structure chimique de flammes basse pression CH4 / C2H6 / C3H8 / O2 / N2 , [20% (CH4/C2H6/C3H8)]/80% H2/O2/N2 et [40% (CH4/C2H6/C3H8)]/60% H2/O2/N2 dans les conditions pauvres.

• Diminution très importante de CO, CO2, C2H4 et C2H2 dans la flamme [40% (CH4/C2H6/C3H8)]/60% H2/O2/N2

• Le mécanisme GDF-Kin®3.0. prédit bien la consommation des réactifs et des produits. Les espèces intermédiaires hydrocarbonées sont sous-estimées.

•Rôle de H2 sur la réduction de CO et CO2

Conclusions et perspectives

• PerspectivesEtude de flammes stoechiométriquesProfils de fraction molaire de H2O par IRTF – Bilans matièreStructure de flammes à pression atmosphériqueInfluence de la présence de H2 sur la formation de NOOxydation des mêmes mélanges dans des conditions² moteur