Optimisation d'une lance d'injection de charbon puvérisé

Optimization of a pulverized coal injection lance

• Auteur / Autrice : Dorian Midou
• Direction : Luc Vervisch, Pascale Domingo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 12/05/2017
• 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 : Établissement 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 : Philippe Guibert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Gicquel, Nasser Darabiha, Ghassan Ghazal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Gicquel, Nasser Darabiha

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Simulation numérique directe

Pyrolyse

Charbon -- Combustion

Simulation des grandes échelles

Mots clés libres

Dévolatilisation

Combustion du résidu carboné

Combustion hétérogène

Modèles de combustion

Schéma cinétique réduit

LES

Large Eddy Simulation

Coal combustion

Devolatilization

Char combustion

Numerical simulation

Combustion modeling

Reduced scheme

Résumé

La production d’acier est majoritairement basée sur la réduction du carbone contenu dans le charbon et est effectuée par des hauts fourneaux. Le principe global est le suivant : un débit important d’air chaud (1200K) est injecté en même temps que du charbon pulvérisé dans le haut fourneau via une tuyère d’injection. Ceci permet la combustion des matières premières (charbon préchauffé et minerai) et la fonte du minerai de fer. La fonte produite est récupérée à la base du haut fourneau pour être ensuite transformée en acier. Cependant, les réactions de réduction engagées dans le processus de production d’acier sont à l’origine d’émissions de gaz polluants (NOx, …) et de gaz à effet de serre (CO2). Pour contrôler et réduire ces émissions, l’industrie sidérurgique développe de nouvelles technologies. Parmi ces dernières, la capture du CO2 par oxy-combustion semble prometteuse. Elle consiste à décarboner les gaz produits par les réactions de réduction, et à les brûler dans la tuyère. Alors, le vent chaud n’est plus de l’air chaud, et l’oxy-combustion des gaz recyclés permet une capture du CO2 plus efficace. Dans le cadre du projet TGR-BF, ArcelorMittal souhaite étudier le comportement d’une tuyère d’injection fonctionnant en oxy-combustion grâce à la simulation numérique (Computational Fluid Dynamics – CFD) qui est aujourd’hui assez mature pour être intégrée aux processus industriels de conception, en complément de campagnes d’essais. Afin de simuler au mieux le fonctionnement d’une tuyère d’injection, la méthode aux grandes échelles a été utilisée et les différents processus physiques engagés dans la combustion du charbon ont été implémentés. Notamment, un nouveau modèle pour la dévolatilisation (pyrolyse) du charbon dans de conditions de hautes températures et pour des taux de chauffe élevés a été utilisé. Ce modèle, développé par T. Maffei, permet de capturer la bonne quantité et la bonne composition des matières volatiles éjectées de la particule de charbon pendant la pyrolyse. La combustion des espèces volatiles est traitée grâce à une méthode de chimie complexe avec l’utilisation d’un schéma réduit développé spécifiquement pour cette étude. L’effet de la turbulence sur la flamme est pris en compte grâce au modèle d’épaississement de flamme (TF-LES) dynamique. La validation du modèle de dévolatilisation a été faite en confrontant les données expérimentales trouvées dans la bibliographie tandis que la vérification du schéma cinétique réduit a été effectuée en le comparant au schéma détaillé GRI-3.0 sur des flammes 1D. Puis, l’ensemble des modèles est utilisé pour la simulation LES du brûleur swirlé de Cambridge. Enfin, la tuyère d’injection dans son fonctionnement en oxy-combustion est étudiée.

Steel making is mostly based on coal combustion and is performed in blast furnaces. The principle is the following : a large amount of hot air (« the blast »,1200K) and pulverized coal particles are injected in the blast furnace through an injection tuyere. This results in the combustion of raw materials (pre-heated coal) and makes the iron ore melt in the tank of the blast furnace. The cast iron produced is retrieved at the bottom of the blast furnace and is thereafter transformed in steel. But, the reactions which occur during this process produce large amount of toxic gases (NOx, …) and greenhous gases such as CO2. In order to regulate and lower the production of such gases, the metal industry develops new technologies. Among them, the oxyfuel method for carbon capture seems to be promising. With such a method, the product gases are de-carbonated and re-used as a fuel. They are injected in the injection tuyeres and are burnt in oxy-combustion. Hence, the blast is not anymore hot air and the carbon is easily captured. In the context of reducing greenhouse gas emissions. ArcelorMittal wants to study, numerically, the behavior of an injection tuyere when it operates under oxy-combustion conditions. In order to simulate the behavior of such a tuyere, the large eddy simulation (LES) method is used. During coal combustion, several processes occur and need to be modeled. In particular, the pyrolysis of coal particles is performed using a new model developed by Maffei. This model is able to capture the right amount and the proper composition of the volatile gases released during the process, under specific conditions : the final temperature of the coal particles and the heating rates have to be high enough. The volatile combustion is performed with a complex chemistry approach, using a reduced scheme developed for the study. To take into account the effect of the turbulence on the flame, a dynamic thickened flame model (TF-LES) is used. The validation of the devolatilization model was made by comparing simulation results against experimental data found in the literature. On a 1D flame, the trajectories given by the reduced scheme were compared against the results obtained with the GRI-3.0, a detailed scheme, in order to verify the behavior of the reduced scheme. Then, the full coal combustion modeling was used on an experimental burner, studied at Cambridge university. Finally, the simulaion of the injection tuyere, under oxy-combustion operation, is performed, and its behavior is studied.