Etude numérique de la combustion turbulente du prémélange pauvre méthane/air enrichi à l'hydrogène

Numerical study of hydrogen enrichment of lean methane/air turbulent premixed combustion

• Auteur / Autrice : Abdelbaki Mameri
• Direction : Iskender Gökalp, Brahim Sarh
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 15/12/2009
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Most
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Iskender Gökalp, Brahim Sarh, Jean-Michel Most, Gilles Cabot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Michel Most, Gilles Cabot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrocarbures

Turbulence

Combustion

Mots clés libres

Combustion turbulente

Combustion prémélangée

Enrichissement par l'hydrogène

Turbulent combustion

Premixed combustion

Hydrogen blending

Résumé

L’enrichissement des hydrocarbures par l’hydrogène permet d’améliorer les performances de la combustion pauvre (augmentation de la réactivité, résistance à l’étirement, stabilité, réduction des polluants, …). Il est primordial de connaitre les caractéristiques de la combustion de ces combustibles hybrides dans différentes conditions, afin de pouvoir les utiliser d’une manière sûre et efficace dans les installations pratiques. L’approche expérimentale reste coûteuse et limitée à certaines conditions opératoires. Cependant, le calcul numérique peut constituer la solution la plus adaptée, compte tenu du progrès réalisé dans le domaine de l’informatique et de la modélisation. Dans ce contexte, ce travail que nous avons effectué à l’ICARE (Institut de Combustion, Aérothermique et Réactivité, CNRS Orléans) vise à compléter les résultats des essais expérimentaux. Les effets de la richesse du mélange et l’ajout de l’hydrogène sur la structure et la formation des polluants sont étudiés dans ce travail. L’augmentation de la richesse du combustible permet de stabiliser la flamme, mais augmente la température et produit plus de CO, CO2 et NOx. Par contre, l’addition de H2 augmente l’efficacité du mélange, stabilise la flamme avec une légère élévation de la température maximale et une diminution des fractions massiques de CO, CO2 et NOx. Le remplacement d’une fraction de 10% où même 20% du gaz principal par l’hydrogène améliore les performances des installations et ne nécessite aucune modification sur les systèmes de combustion.

Fuel blending represents a promising approach for reducing harmful emissions from combustion systems. The addition of hydrogen to hydrocarbon fuels affects both chemical and physical combustion processes. These changes affect among others flame stability, combustor acoustics, pollutant emissions and combustor efficiency. Only a few of these issues are understood. Therefore, it is important to examine these characteristics to enable using blend fuels in practical energy systems productions. The experimental approach is restricted in general to specific operating conditions (temperature, pressure, H2 percentage in the mixture, etc.) due to its high costs. However, the numerical simulation can represent a suitable less costly alternative. The aim of this study done at ICARE is to complete the experiments. Equivalence ratio and hydrogen enrichment effects on lean methane/air flame structure were studied. The increase of the equivalence ratio, increases flame temperature and stability but produces more CO, CO2 and NOx. Hydrogen blending, increases flame stability and reduces emissions. The replacement of 10% or 20% of the fuel by hydrogen enhances installation efficiency with no modifications needed on the combustion system.