Modélisation de la combustion de magnésium à différentes échelles : du dispositif de laboratoire au procédé pilote

Modelling of magnesium combustion : from the laboratory scale to the pilot system

• Auteur / Autrice : Tomasz Wronski
• Direction : Alain Brillard, Cornelius Schönnenbeck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• 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

Lutte contre

Réchauffement de la Terre

Magnésium

Combustion

Métaux légers

Mots clés libres

Magnesium

Combustion hétérogène

Combustion homogène

Modélisation

ANSYS FLUENT

Swirl

CFD

Combustion des métaux

Magnesium

Heterogeneous combustion

Homogeneous combustion

Modelization

ANSYS FLUENT

Swirl

CFD

Metal combustion

Résumé

Le réchauffement climatique et la transition énergétique sont deux des plus grands défis de notre époque, qui nécessitent de développer de nouvelles façons de produire et stocker de l’énergie. La combustion de métaux présente de nombreux avantages. Tout d’abord, la densité énergétique des métaux, en masse comme en volume, est similaire à celle des carburants fossiles. La combustion de métaux ne produit pas de dioxyde de carbone et les oxydes métalliques produits lors de la combustion peuvent être récupérés et recyclés. Dans la première partie de la thèse, la combustion lente de particules de magnésium est étudiée en thermobalance et en lits fixe ou fluidisé. Les valeurs optimales des constantes cinétiques sont obtenues pour les trois dispositifs et comparées. La deuxième partie de la thèse partie porte sur la combustion rapide et homogène du magnésium dans le brûleur pilote qui a été développé au LGRE. L’objectif est de simuler successivement l’écoulement monophasique à froid, puis l’écoulement diphasique à froid comprenant les trajectoires des particules de magnésium dans la chambre de combustion, et enfin la réaction de combustion. Les simulations mises en œuvre dans le cadre de cette thèse sont réalisées avec le logiciel ANSYS Fluent. Les résultats des simulations des écoulements et de la réaction de combustion sont confrontés avec les expériences menées au laboratoire. La troisième partie de la thèse porte sur la simulation des émissions de NOx au cours de la combustion homogène de particules de magnésium. Le logiciel ANSYS Fluent est de nouveau utilisé pour modéliser la production de NOx à proximité d’une particule ou d’un nuage de particules.

Global warming and the energy transition are two of the greatest challenges of our time, which require new ways of producing and storing energy. Burning metals has many advantages. First, the energy density of metals, in mass as in volume, is similar to that of fossil fuels. In addition, metals that can be used as fuels are abundant all over the earth's surface. Finally, their combustion does not produce carbon dioxide and the metal oxides produced during combustion can be recovered and recycled. In the first part of the thesis, the slow combustion of magnesium particles is studied in thermobalance and in fixed or fluidized beds. The optimal values of the kinetic constants are obtained for the three devices and compared. The second part of the thesis deals with the rapid and homogeneous combustion of magnesium in the pilot burner which was developed at LGRE. The objective is to successively simulate the cold single-phase flow, then the cold two-phase flow including the trajectories of the magnesium particles in the combustion chamber, and finally the combustion reaction. The simulations performed within the framework of this thesis are carried out with the ANSYS Fluent software. The results of the flow and combustion reaction simulations are compared with the experiments performed in the laboratory. The third part of the thesis deals with the simulation of NOx emissions during the homogeneous combustion of magnesium particles in the pilot burner. The ANSYS Fluent software is again used to model the production of NOx near a particle or a cloud of particles.