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Thèse présentée à

INSA de Rouen

Par

Xavier PAUBEL

Soutenue le 2 mai 2007

Analyse expérimentale des oxy-flammes turbulentes non-prémelangées de gaz à faible pouvoir calorifique.
Jury

Directeur de thèse : Armelle Cessou

Denis Veynante, Directeur de recherche, CNRS, EM2C
Nondas Mastorakos, Professeur, University of Cambridge
Armelle Cessou, Chargée de Recherche, CNRS, CORIA
David Honoré, Maître de Conférences, INSA de Rouen
Luc Vervisch, Professeur, INSA de Rouen
Olivier Métais, Professeur ENSHMG, Grenoble
Paul Lybaert, Professeur, Faculté Polytechnique de Mons
Rémi Tsiava, Senior Expert combustion, Air Liquide
Bertrand Leroux, Responsable du groupe combustion, Air Liquide CRCD

Résumé

L’utilisation de combustibles à faible pouvoir calorifique, comme les gaz de rejets industriels ou les gaz dérivés du charbon ou de la biomasse, est une solution envisagée pour répondre à l’épuisement des ressources énergétiques fossiles traditionnelles, comme le gaz naturel et le pétrole. Les compositions variées de ces combustibles dans un domaine de faible PCI posent des problèmes cruciaux de stabilité de flammes et d’émissions polluantes. Un brûleur quadri-coaxial de 25kW a ainsi été conçu pour opérer avec des mélanges combustibles variés de gaz à faible PCI à l’aide d’un gaz d’appoint à plus fort PCI et d’oxygène pur comme comburant. Il se compose, du centre à la périphérie, d’injections successives d’oxygène (O2i), de gaz de haut fourneau (BFG), de méthane (CH4) et d’oxygène (O2e). La grande variété de flammes ainsi générées a été classée en différents modes de combustion. La flamme pilote CH4-O2e générée est toujours accrochée au nez de l’injection et garantit ainsi la stabilité de l’ensemble. La flamme centrale O2i-BFG peut rester accrochée au brûleur (type 1), ou se décrocher (type 2) et former une zone de réaction annulaire de type diffusion (type 2a) ou non-annulaire de type pré-mélangée (type 2b), ou enfin disparaître (type 3). Ces structures de flamme ont été caractérisées par imagerie et spectroscopie de chimiluminescence. Les champs aérodynamiques des écoulements réactifs et non-réactifs, ainsi que les champs de fraction de mélange non-réactifs ont été mesurés par ADL et PLIF. L’ensemble de ces résultats a permis de mettre en avant des échelles de longueur et de vitesse pertinentes pour la détermination de critères de stabilité sur la géométrie de ces flammes. La transition entre le type 1 et les autres est pilotée par une compétition entre la chimie de O2i-BFG et leur mélange organisé par les grandes structures. La transition entre les type 2a, 2b et 3 est décrite par le mélange des jets coaxiaux O2i-BFG et le rapport de leurs vitesses. Les paramètres déterminés à l’échelle du laboratoire ont ensuite été corroborés à l’échelle semi-industrielle de 500 kW.

Experimental analysis of the stabilisation of turbulent non-premixed oxy-flame of low calorific fuel.

The use of low calorific fuel, as gaseous by-products or derived coal/biomass fuels, is a potential solution against the depletion of the traditional fossil fuels as natural gas or fuel oil. Flame stability and pollutant emissions are crucial issues when burning various composition of these fuels in a large range of Net Calorific Value (NCV). A quadric-coaxial burner was designed to operate with various fuel mixtures of low grade fuel helped by a supplement of high grade fuel and pure oxygen as oxidizer. This burner consists, from the centre to the periphery, of four successive coaxial jets of oxygen (O2i), blast furnace gas (BFG), methane (CH4) and oxygen (O2e). This configuration is designed so that the CH4-O2e flame generated mimics a highly energetic pilot flame always anchored at the burner tip to stabilize the combustion of the low grade fuel. The large diversity of flame structures resulting from this burner configuration has been organized in different combustion modes. The internal flame could be anchored at the injection (type 1) or lifted off (type2) and thus consists in an annulus diffusion flame (type 2a) or a non-annulus premixed flame (type 2b) or completely disappears (type 3). These flame structures have been characterized by chemiluminescence imagery and spectroscopy. The aerodynamic fields of the reactive and nonreactive flows, as well as the mixture fraction fields of the non-reactive flow have been measured. These results have highlighted relevant length and velocity scale to determine stability criteria about the different flame geometries. The stability of the type 1 is controlled by a competition between a chemical time characteristic of the O2i-BFG chemistry and a mixing time characteristic of the mixing rate organized by the large scale structures within this O2i-BFG shear layer. The transition between the types 2a, 2b, 3 are described by the mixing rate of the coaxial jets O2i-BFG and their velocity ratio. The parameters emphasized at the lab scale have been validated at a semi-industrial scale of 500 kW.

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