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Thèse présentée à

Université de Rouen

Discipline : Physique
Spécialité : Energétique

Par

Sébastien YON

Soutenue le 3 décembre 2013

Oxy-combustion de l’hythane dans des brûleurs à jets fortement séparés
Jury

Directeur de thèse Jean-Charles SAUTET

Rapporteurs
D. Escudié, Directrice de Recherche CNRS – CETHIL Lyon UMR 5008
T. Schuller, Professeur, Ecole Centrale Paris – EM2C UPR 288

Examinateurs
A. Boukhalfa, Professeur, INSA de Rouen – CORIA UMR 6614
T. Boushaki, Maître de Conférences, Université d’Orléans – ICARE UPR 3021
D. Honoré, Maître de Conférences, INSA de Rouen – CORIA UMR 6614
J.C. Sautet, Professeur, Université de Rouen – CORIA UMR 6614

L’évolution des normes anti-pollution associée à la disparition des énergies fossiles motivent la réduction des consommations de carburant et l’optimisation des performances des chambres de combustion. Une nouvelle génération de brûleur à injections fortement séparées de combustible et de comburant possède un très grand intérêt pour les industriels. Même si ce type de brûleur a prouvé son efficacité en termes de limitation des émissions d’oxyde d’azote, l’effet de dilution géométrique lié au fort taux de recirculation des gaz brûlés engendré par la séparation des injecteurs est limité par l’instabilité de la flamme.
Afin de pallier aux extinctions locales et d’augmenter la stabilité de la flamme, de l’hydrogène est ajouté au gaz naturel, mélange appelé l’hythane. La haute diffusivité moléculaire de l’hydrogène ainsi que sa large limite d’inflammabilité permettent de considérablement modifier les propriétés du carburant tout en gardant les installations de distribution existantes. Pour augmenter la stabilité de la flamme et limiter les émissions de NOx dans ce type de brûleur, l’air est substitué par de l’oxygène pur (oxy-combustion). L’azote contenu dans l’air agit en effet comme un ballast thermique et réduit le rendement de combustion.
Cette étude expérimentale sur des brûleurs à deux jets fortement séparés a pour but de comprendre les effets de l’ajout d’hydrogène (de 0% à 20% en volume) sur le mélange des jets et la stabilité de la flamme, pour différents écartements des 2 jets (de 60 mm à 100 mm), ainsi que pour différentes richesses globales du mélange (de Ф=0.7 à Ф=1). Des visualisations de la hauteur d’accrochage de la flamme ainsi que de la fin de flamme via la chimiluminescence du radical OH* ont permis d’étudier les effets de l’hythane sur les fluctuations du bas de la flamme et de prouver que l’ajout d’hydrogène permet d’améliorer la stabilité de la combustion.
Une vaste étude de l’aérodynamique de l’écoulement via la vélocimétrie par images de particules (PIV) a été menée pour les différents écartements des jets, pour 4 hauteurs différentes dans l’écoulement, en configuration réactive et non-réactive, avec une haute résolution spatiale et temporelle de la zone de recirculation, et pour différents plans perpendiculaires aux jets. Ces campagnes de mesures ont mis en évidence que l’ajout d’hydrogène permet aux jets de se mélanger plus en amont de l’écoulement et ont également montré l’importance de la zone de recirculation des gaz brûlés située entre les deux jets, sur l’aérodynamique de l’écoulement.
Une étude des fumées via une baie d’analyse a montré l’importance de la surface de la zone de recirculation des gaz brûlés sur les émissions de NOx, ainsi que la dépendance de cette zone caractéristique (surface, intensité) vis-à-vis des propriétés de l’écoulement.

Mots clefs : Oxy-combustion, Gaz naturel, Hythane, Hydrogène, Zone de recirculation, Brûleur à jets séparés, Emissions de NOx, Chimiluminescence, Vélocimétrie par Images de Particules.

Abstract
The evolution of pollutant standards associated with the decrease of fossil energy resources motivate the reduction of fuel consumption and the optimization of combustion chamber performances. A new generation of burners with a highly separated injection of fuel and oxidant has a great interest for industrials. Even if this kind of burners has proved its efficiency in terms of nitrogen dioxide emissions, the geometric dilution effect linked to the high rate of burned gas recirculation due to the injectors separation is limited by the flame instability.
In order to overcome local extinctions and to increase the flame stability, hydrogen is added to natural gas, a mixture called hythane. The high molecular diffusivity of hydrogen and its wide flammability limits allow to considerably modify the fuel properties, by keeping the current delivery installations. To increase flame stability and to limit nitrogen dioxide emissions in this kind of burner, air is replaced by pure oxygen (oxy-combustion). Indeed, nitrogen contained in air acts like a thermal ballast and decreases the combustion efficiency.
This experimental study of burners with highly separated jets aims to understand the effects of hydrogen addition (from 0% to 20% in volume) on flame stability and jets mixing, for different gaps between the jets (from 60 mm to 100 mm) and for different global equivalence ratios (from Φ = 0.7 to Φ = 1).
Observations of the flame lift-off height and the end of the flame by OH* radical chemiluminescence allow to study the effects of hythane on the fluctuations of the bottom of flame and to prove that hydrogen addition permit to improve the combustion stability. A wide study of the flow aerodynamics by Particule Image Velocimetry (PIV) has been conducted for the different jets gaps, for four different heights in the flow, in reactive and non-reactive configurations, with a high spatial and temporal resolution in the recirculation zone, and for different plans perpendicular to the jets. These measurements highlight that hydrogen addition allow the jets to mix more upstream in the flow and underline the importance of the burned gas recirculation zone between the two jets, on the flow aerodynamics.
A study of the burned gases by an analyzer highlights the influence of the surface of the burned gas recirculation zone on the nitrogen dioxide emissions, as well as the dependence of this characteristic zone (surface, intensity) towards the flow properties.

Keywords : Oxy-fuel combustion, Natural gas, Hythane, Hydrogen, Recirculation zone, Separated jet burner, NOx emissions, Chemiluminescence, Particle Image Velocimetry.

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