Combustion de métaux dans un brûleur turbulent : étude de la stabilisation de la flamme et réduction des polluants

Metal combustion in a turbulent burner : study of flame stabilization and reduction of pollutants

• Auteur / Autrice : Adeline Andrieu
• Direction : Jean-François Brilhac, Gontrand Leyssens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences chimiques (Strasbourg ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Gestion des Risques et Environnement - Laboratoire de gestion des risques et environnement - LGRE / GRE

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergies décarbonées

Oxydes métalliques

Lutte contre

Réchauffement de la Terre

Aluminium

Combustion

Magnésium

Mots clés libres

Combustion métallique

Magnésium

Vecteur énergétique décarboné

Flamme turbulente

Nox

Particules de magnésie

Metal combustion

Magnesium

Clean power source

Turbulent flame

Nox

Magnesia particles

Résumé

De nouvelles sources d’énergies propres avec des émissions de gaz à effet de serre réduites doivent être envisagées en raison du réchauffement climatique. Parmi ces sources alternatives, les combustibles métalliques comme l’aluminium ou le magnésium sont prometteurs. C’est pourquoi l’ANR STELLAR (ANR-18-CE05-0040) s’intéresse à la combustion de métaux dans un cycle fermé. Des poudres métalliques sont brûlées dans une chambre de combustion où la flamme est stabilisée par swirl afin de produire de l’énergie convertissable en électricité. Puis le métal est régénéré à partir de l’oxyde métallique produit lors de la combustion, via de l’énergie solaire. Cependant, la combustion de magnésium, bien que décarboné, produit des oxydes d’azote et des particules fines. Cette thèse a donc permis d’aborder et d’étudier ces verrous technologiques. Des bilans énergétiques ont établis que 80% de la puissance dissipée pourront être récupérés. Un mécanisme de formation des oxydes d’azote est établi pour identifier les paramètres clefs afin d’obtenir des concentrations en NOx faible voire nulle. Les conditions optimales ainsi identifiées correspondent à une dilution à l’azote de 50% associée à une richesse de combustion de 1. Les particules d’oxydes de magnésium sont piégées à hauteur de 93% en masse et des pistes de progrès sont proposées afin d’envisager une solution pour piéger 100% des particules.

New sources of clean energy with reduced greenhouse gas emissions must be considered because of global warming. Among these alternative sources, metal fuels such as aluminium or magnesium are promising. This is why the ANR STELLAR (ANR-18-CE05-0040) is interested in the combustion of metals in a closed cycle. Metal powders are burned in a combustion chamber where the flame is stabilized by swirl to produce energy that can be converted into electricity. Then the metal is regenerated from the oxide product by the combustion, via solar energy. However, the combustion of magnesium produces nitrogen oxides and fine particles. This thesis has therefore made it possible to study these technological obstacles. It has been established by heat flux analysis that 80% of the dissipated power can be recovered. A nitrogen oxide formation mechanism is established to identify the key parameters in order to obtain low or even zero NOx concentrations. The optimal conditions thus identified correspond to a dilution with nitrogen of 50% associated with a global equivalence ratio of 1. Up to 93% of the magnesium oxide particles are trapped in the system and avenues for progress are proposed in order to consider a solution to trap 100% of the particles.