Simulation numérique de la réduction des émissions de NOx dans un four pilote de 4 MW et une chaudière tangentielle de 609 MW à charbon pulvérisé

Numerical simulation of nitric oxides emissions reduction in a 4 mega watts pulverized coal pilot furnace and a 609 MW tangential pulverized coal utility boiler

• Auteur / Autrice : Francisco Cadavid
• Direction : Bernard Baudoin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique et énergétique
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Valenciennes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Grilles (analyse numérique)

Charbon pulvérisé

Oxydes d'azote

Simulation par ordinateur

Charbon -- Combustion

Mots clés libres

Cfd

Chaudière tangentielle

Brûleur à swirl

Reburning

Résumé

Trois systèmes de combustion ont été simulés en utilisant le code de calcul FLUENT V6 : un brûleur à swirl, un four pilote de 4 MW et une chaudière tangentielle de 609 MW à charbon pulvérisé (CP). La simulation du brûleur a permis d’expliquer la façon de calculer les conditions aux limites, de définir les critères de convergence, les schémas de discrétisation et d’évaluer les modèles de turbulence - Standard, RNG et Realizable. Le meilleur compromis précision/temps de calcul est obtenu avec le modèle de turbulence - Standard. Une méthodologie permettant la simulation du processus de combustion et des émissions de NO dans des systèmes brûlant du CP a été établi. Celle-ci a été testée dans deux systèmes de combustion. Dans le premier, le four du CERCHAR avec injections radiales de CP de Reburning et d'air de post-combustion, deux modèles de dévolatilisation et deux modèles de combustion en surface furent testés et comparés à des mesures expérimentales. Cette étude montre que l'utilisation du modèle de combustion en surface Vitesse de réaction limitée par la diffusion aboutit à des solutions plus proches des mesures expérimentales de température et d’espèces (O2, CO, CO2). Nous avons effectué une modification du modèle de réduction de NO par Reburning de Y. B. Yang et al. Ce qui nous a permis d’obtenir des meilleurs accords avec les mesures expérimentales de NO. Dans le deuxième système, une chaudière à chauffe tangentielle, les résultats obtenus numériquement se sont avérés assez proches des mesures expérimentales. De plus, les tendances observées expérimentalement ont pu être aussi constatées numériquement dans les deux configurations évaluées.

Three combustion systems have been simulated with Fluent CFD code V6: a swirl burner, a 4 MW pilot CERCHAR pulverized coal (PC) furnace and a 609 MW tangential utility PC boiler. The burner simulation has allowed to explain the calculation method of boundary conditions, to define the convergence criteria and the discretisation schemes, and to evaluate the turbulence models - Standard, RNG and Realizable. The best precision/calculation-time compromise was obtained with - Standard turbulence model. A methodology has been established to simulate the combustion and NO emissions process in pulverized coal systems. This one has been tested in two combustion systems. In the first one, the CERCHAR’s furnace with radial Reburning PC post-combustion air injections, two devolatilisation models and two char combustion models were tested and compared to experimental measures. This study shows that when the Diffusion Limited Surface Reaction Rate Model is used, numerical solutions are in good agreement with experimental measures of temperatures and species concentrations (O2, CO and CO2). A modification of Y. B. Yang et al. Model of NO reduction by coal Reburning allows us to obtain the best agreements with NO experimental measures. In the second system, a tangential PC utility boiler, the numerical results are very close to experimental measures. Moreover, the experimentally observed tendencies were also numerically predicted in two tested configurations.