Combustion de biomasse pulvérisée : impact du conditionnement et de l'écoulement

Combustion of pulverized biomass : impact of fuel preparation and flow conditions

• Auteur / Autrice : Hassan Mohanna
• Direction : David Honoré, Jean-Michel Commandré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique énergétique
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexis Coppalle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Honoré, Jean-Michel Commandré, Nasser Darabiha, Sylvain Salvador, Céline Morin, Christophe Proust, Benoît Taupin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nasser Darabiha, Sylvain Salvador

Mots clés

Mots clés contrôlés

Combustion

Pins

Chimiluminescence

Détecteurs électrochimiques

Bois -- Déchets (combustible)

Torréfaction de la biomasse

Biomasse -- Combustion

Mots clés libres

Combustible pulvérisé

Réacteur pilote

Chimiluminescence OH*

Combustion

Biomass

Wood

Torrefaction

Pulverized fuel

Pilot scale reactor

OH* chemiluminescence

Résumé

Les efforts pour réduire les niveaux dangereux des émissions polluantes à l’échelle de la planète, présentent la biomasse comme un combustible attractif pour les centrales thermiques industrielles. Son abondance, sa durabilité et ses caractéristiques physico-chimiques comparables à celles du charbon, en font un candidat potentiel pour l'intégrer au charbon dans les infrastructures existantes. Ce travail est une étude expérimentale et numérique sur la combustion de la biomasse pulvérisée à l'échelle des particules et de la flamme. La diversité de la biomasse a été simulée en torréfiant du pin natif, afin de produire des biomasses à teneur contrôlée en matière volatile (MV). Trois degrés de torréfaction, en plus d’un bois de démolition et d’un charbon, ont ainsi été étudiés à l'échelle des particules. Différentes méthodes expérimentales comprenant un four tubulaire horizontal, un four à chute et un réacteur à particule isolée ont été utilisées pour fournir une caractérisation détaillée du processus de dégradation d'une seule particule. Les résultats donnent l’analyse immédiate et élémentaire de la particule, la composition chimique du gaz de pyrolyse, le degré de dégradation des particules, les émissions gazeuses de combustion, les temps caractéristiques de combustion et l'évolution morphologique de la particule. Ils montrent que les particules de teneur en matière volatile plus élevée subissent une dévolatilisation plus intense, à durées de flamme comparables. D'autre part, le char résiduel est plus réactif et brûle plus vite que le char résultant des particules de teneur en matière volatile inférieure. Cependant, on observe que l'allumage hétérogène se produit plus tôt pour les particules plus grosses contenant moins de matières volatiles. Un modèle numérique a été développé en utilisant les données expérimentales recueillies à l'échelle des particules, pour simuler la combustion d'une seule particule dans le four à chute. Le modèle permet de déterminer les paramètres cinétiques de la dévolatilisation et de l'oxydation du char à partir des courbes de dégradation de la biomasse. Les résultats sont en accord avec les mesures expérimentales de concentration d'oxygène et de monoxyde de carbone, et amènent des conclusions cohérentes avec celles obtenues à l’échelle de la particule. Le modèle de particules a été intégré dans un modèle CFD, appliqué à un pilote de combustion spécialement conçu pour la combustion de biomasse pulvérisée. Ce modèle a été validé et complété par les données expérimentales obtenues sur le réacteur à l'échelle pilote, comprenant une description détaillée des distributions spatiales des concentrations d'espèces chimiques ainsi que le suivi par chimiluminescence des radicaux OH* de trois flammes de pin, pin torréfié et pin pyrolysé. Les résultats du modèle sont en accord satisfaisant avec les résultats expérimentaux. Les flammes étudiées sont de longues flammes de jet non attaché, formant une grande zone de recirculation extérieure autour du jet central. La topologie et l'intensité de la zone réactionnelle sont déterminées par la teneur en matières volatiles du combustible et par sa réactivité. La distribution granulométrique joue également un rôle clé sur l’initiation et la position de la zone réactionnelle. Les biomasses de distribution granulométrique plus fine sont plus influencées par la structure aérodynamique. Leur dévolatilisation se produit dans le jet et les chars sont entraînés par la zone de recirculation où ils s'oxydent. D'autre part, la distribution granulométrique plus étalée du pin crée deux zones de dévolatilisation conduisant à une réduction des NOx, et les grosses particules ont tendance à pénétrer la zone de recirculation et à s'oxyder plus loin du brûleur.

The world efforts to reduce the dangerous levels of pollution present biomass as an attractive fuel for the industrial power plants. Its abundance, sustainability and its resemblance to coal, makes it a potential candidate of incorporating it with coal in the existing infrastructure. This work is an experimental and numerical study of the combustion of pulverized biomass at both particle and flame scale. The diversity of biomass was simulated using torrefaction of raw Pine, in order to produce other types of biomass with controlled volatile content (VM). Three torrefaction degrees beside demolition wood and coal were studied at particle scale. Different experimental methods including horizontal tubular reactor, drop tube furnace and single particle reactor were used to provide a detailed characterization of the degradation process of a single particle. The results provided the proximate and ultimate analysis, pyrolysis gas composition, particle degradation, combustion gas emissions, combustion timeline, and the morphological evolution of the particle. The results show that higher VM particles undergo intense devolatilization for comparable durations as less volatile containing fuel. On the other hand, the char left is more reactive and burn faster than the char resulting from particles with lower VM content. However, the heterogeneous ignition is observed to occur earlier for larger particles containing lower volatile matter, forming larger overlap between the combustion phases. A numerical model was developed using the experimental data collected at particle scale to simulate the combustion of a single particle in the drop tube furnace. The model could derive the kinetics parameters of devolatilization and char oxidation from the degradation curves. The predictions are in accordance with the experimental measurements of oxygen and carbon monoxide concentrations and the conclusions are consistent with those obtained in the above experimental methods. The particle model was integrated in a CFD model applied to a pilot scale combustion facility specially designed for pulverized biomass combustion. The model is validated and completed by the experimental data collected on the pilot scale reactor including a detailed description of the spatial distributions species concentrations beside the OH* chemiluminescence images of three flames of Pine, torrefied pine and pyrolyzed pine. The model results match satisfyingly well the experimental results. The studied flames are long lifted jet flames, forming a large outer recirculation zone around the central jet. The topology and intensity of the reaction zone is determined by the volatile content of the fuel and its reactivity. The particle size distribution also plays a key role on the onset and the position of the reaction zone. Fuels with finer particle size distribution are found to be more influenced by the aerodynamic structures. Their devolatilization occurs in the jet and the chars are captured by the recirculation zone where they get oxidized. On the other hand, the wide particle size distribution of Pine creates two-devolatilization stages leading to lower NOx, and the large particles tend to penetrate the recirculation zone and oxidize downstream.