Oxycombustion diluée au dioxyde de carbone : étude de la stratégie d'injection du CO2

• Auteur / Autrice : Sarah Juma
• Direction : Armelle Cessou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique - Energétique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Rouen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime....-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxygène

Combustion

Dioxyde de carbone

Captage et stockage du dioxyde de carbone

Gaz de combustion

Technique de la combustion

Résumé

La mise en oeuvre de l’oxycombustion avec recycle des gaz brûlés interroge sur la conception de brûleurs adaptés à cette technique. La séparation de l’oxydant (O2) et du gaz inerte (gaz de recycle) permet d’envisager leur injection avec prémélange, dans des brûleurs de conception similaire à ceux utilisés en aérocombustion, ou leur injection séparée, avec possibilité de modifier indépendamment les paramètres d’entrée d’un écoulement par rapport à l’autre. Une étude académique simplifiée, menée sur des brûleurs multi-coaxiaux de 25 kW alimentés par du CH4 permet de comparer les deux stratégies d’injection de l’O2 et du CO2 (remplaçant les gaz de recycle). Ces brûleurs sont munis de trois à quatre injections coaxiales selon la stratégie étudiée : respectivement CH4/O2/(CO2+O2) pour la stratégie prémélangée, et CH4/O2/CO2/O2 pour l’injection séparée. Le maintien d’une faible oxy-flamme primaire amène la flamme à se stabiliser derrière la lèvre d’injection du méthane, et quatre types de flamme principaux sont observés par chimiluminescence. La flamme est continue et homogène en intensité (type A) pour les types prémélangés. Pour les configurations à injection séparée, elle peut également présenter une diminution locale d’intensité entre la flamme primaire et la flamme secondaire (type A’ ou C), ou la flamme secondaire peut être suspendue loin au-dessus de l’oxy-flamme primaire (type B), mettant en avant l’importance d’un dimensionnement soigné pour la mise en oeuvre de l’injection séparée. Les mécanismes de mélange menant à ces structures sont analysés gra��ce à des algorithmes de PIV originaux permettant une résolution importante des couches de mélange près de l’injecteur, et montrent que la stabilité de la flamme est favorisée par la présence de zones de recirculation, et par une vitesse faible de l’écoulement de CO2 ou coflow (CO2+O2), associée à un rapport de vitesses UO2/UCO2 élevé. Les forts gradients de vitesse favorisent le mélange et permettent de fournir une flamme stable, avec des flux thermiques, températures, et émissions polluantes contrôlées et acceptables.

The set-up of oxy-fuel combustion with flue gas recirculation raises questions about the design of adapted burners. The separation of the oxidant (O2) and inert gas (flue gas) allows either their injection with premixing of both flows, in burners with similar design than those used in classic air combustion, or separated injection, with the possibility to modify independently the injection parameters for each flow. Both injection strategies are studied and compared in the frame of a simplified academic study, led on CH4-fed multi-coaxial 25 kW burners, with O2 and CO2 (replacing the recirculation gases). These burners are composed of three to four coaxial injections, depending on the strategy: respectively CH4/ O2/(CO2+O2) for premixed strategy, and CH4/O2/CO2/O2 for separated injection strategy. A small primary oxy-fuel flame is maintained, and stabilizes behind the methane lip: four main flame types are observed thanks to chemiluminescence. The flame is continuous and homogeneous in terms of intensity (A type) for premixed burners. For separated injection burners, it may exhibit a localized decrease of intensity between the primary and the secondary flame (A’ or C type), or the secondary flame is lifted far above the primary oxy-fuel flame (B type). Mixing mechanisms leading to these structures are analyzed with PIV, and show that flame stability is favored by recirculation zones, by a small CO2 flow or co-flow (CO2+O2) velocity, associated to a large velocity ratio UO2/UCO2. The large velocity gradients favor the mixing and provide a stable flame, with controlled and acceptable thermal fluxes and temperatures distributions, and exhaust gases composition.