Simulation numérique de la combustion du bois dans une chaudière automatique de 400 kW

Numerical simulation of wood combustion in a 400 kW boiler

• Auteur / Autrice : Tudor Florea
• Direction : Bernard Baudoin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique et énergétique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Valenciennes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cinétique chimique

Biomasse -- Combustion

Combustion

Bois

Résumé

Ce travail présente la mise en place, à l’aide de mesures expérimentales, d’un outil numérique qui décrit le mieux possible la combustion du bois dans une chaudière automatique à grille mobile de moyenne puissance. Deux types de mesure ont été réalisées : globales et locales. La première catégorie concerne les paramètres de fonctionnement de l’installation. Les mesures locales concernent les profils de température, de vitesse (diagnostique optique par laser) et de concentrations des gaz au sein du foyer. L’ensemble de ces mesures a permis de mettre en évidence les régimes de fonctionnement, la nature turbulente de l’écoulement et le caractère instationnaire des flammes. Ces mesures ont servi ensuite comme support pour l’analyse des calculs numériques. L’approche utilisée pour modéliser le foyer repose sur un couplage code de mécanique des fluides numérique - code 2D. L’étude numérique a été d’abord orientée vers la simulation de la combustion des matières volatiles au-dessus du lit de combustible, à l’aide du logiciel Fluent. . Une cinétique chimique semi-globale (6 réactions) a été employée dans un premier temps. Ces éléments ont permis d’évaluer l’impact de la distribution d’air secondaire. Ainsi, en passant d’une distribution asymétrique à symétrique, l’émission de CO peut être réduite par un facteur trois. Le calcul numérique est capable de reproduire les tendances observées expérimentalement, mais la cinétique semi-globale surestime le taux de CO. Suite à ces constats, un schéma réactionnel réduit (40 réactions) a été proposé. Celui-ci s’est montré beaucoup plus précis en ce qui concerne les teneurs en CO, O2 et CO2. Quant à l’écoulement, un bon accord entre les valeurs de vitesse expérimentales et numériques a été observé sur l’axe du foyer. Également, l’emplacement des zones de recirculation prédit par calcul correspond globalement à ce qui est indiqué par voie expérimentale. En complément, la cinétique à 40 réactions a été confrontée, en utilisant le code CHEMKIN II, aux résultats expérimentaux et au mécanisme réactionnel à 49 réactions (22 espèces) de Leroy et al. (2008) Le premier s’avère plus réactif que le dernier. Cependant, le schéma cinétique à 40 réactions se trouve dans un bon accord avec les données expérimentales à basse température (700 - 1000 K) et faible richesse (0,6 - 1).

This work presents the implementation of a numerical tool, which can predict as best as possible the woodchips combustion within a medium power reciprocating grate boiler. In order to do so, several global and local measurements were conducted. The first category concerns the operating parameters of the installation. The local measurements concern the profiles of temperature, velocity and gas concentrations inside the furnace. The measurements allowed the ascertaining the operating regimes, the turbulent nature of the flow and the unsteadiness of the flames. Later, these measurements served to analyze the numerical simulations. The approach used for the furnace modelling is based on the computational fluid dynamics code - 2D code coupling. The numerical study was firstly oriented towards the volatiles combustion above the fuel bed, using the code Fluent. A semi-global reaction mechanism (6 reactions, 9 species) was first used. These elements allowed us to evaluate the impact of the secondary air distribution. Thus, the CO emission can be reduced by a factor of three when the secondary air configuration is changed from asymmetrical to symmetrical. The numerical computation is able to reproduce these tendencies, but the semi-global mechanism overestimates the CO concentration. Following these observations, a reduced mechanism (40 reactions, 17 species) was introduced, which proved to be much more accurate as far as the CO, O2 and CO2 are concerned. Regarding the flow analysis, a good agreement was found between the measured and computed velocities. In addition, the computed location of the recirculation zones corresponds globally with the experimental observations. Further, the 40 reactions mechanism was compared, using the CHEMKIN II code, to the experimental results and the 49 reactions (22 species) mechanism of Leroy et al. (2008). The first was found to be more reactive then the last one. However, the 40 reactions mechanism is in a good agreement with the experimental at low temperature (700 - 1000 K) and low fuel to air ratio (0. 6 - 1).