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COCASE : partie cinétique chimique de combustion Stéphanie de Persis Laure Pill

COCASE : partie cinétique chimique de combustion Stéphanie de Persis Laure Pillier Vladimiro Osorio Iskender Gökalp Colloque Programme Energie 2009. Polytech, Université de Nantes. Projet COCASE Projet COCASE : optimisation du couplage des procédés de combustion et de capture du CO2 par membranes Association combustion / capture = compromis entre l’oxycombustion (combustion à l’oxygène pur) et la capture post-combustion conventionnelle 2 1 Air Power 3 Compression Transport Storage 4 y x’ x W1 W2 N2  O2 O2 N2 CO2 H2O N2 Fuel N2  CO2 Flue gas CO2 N2 H2O 2 1 3 4 Identifier les conditions de combustion c’est-à-dire : ¤ la composition initiale du mélange gazeux : - le pourcentage d’oxygène dans l’air - la richesse ¤ la composition des fumées permettant un fonctionnement correct du dispositif d’ensemble combustion-capture en termes de : - vitesse de flamme, - température de flamme, - émissions de polluants, - consommation d’oxygène. Objectif de l’étude réalisée à ICARE Objectif de l’étude rélaisée à ICARE Avant-propos : quelques généralités sur la combustion a combustible (s,l,g) + b comburant (g) c CO2 (g) + d H2O (l,g) Oxydant O2 pur ou dilué (air) O3 Chlore Nitrates Réducteur H2 CO Hydrocarbure se déroulant suivant un mécanisme complexe comprenant un grand nombre de réactions dites élémentaires, les unes consommant, les autres libérant de la chaleur, le dégagement de chaleur prenant le pas sur la consommation. CH4 (g) + 2 (O2 + 3,76 N2 )(g) CO2 (g) + 2 H2O (g) + 7,52 N2 (g) air = 21% O2, 79% N2 Rapport de dilution = N2/O2 = 3,76 Richesse : trie stoechiomé comburant e combustibl mélange comburant e combustibl X X X X                   Avant-propos : quelques généralités sur la combustion La combustion consiste en une réaction d’oxydo-réduction = 2 CH4 O2  1 Mélange pauvre Mélange riche Mélange stoechiométrique La combustion est une intervention conjointe et couplée de phénomènes chimiques et physiques : combustion Chimie Mathématiques Dynamique des fluides Thermodynamique Ingénierie chimique Haute température Production d’énergie Pollution Feux combustion Chimie Mathématiques Dynamique des fluides Thermodynamique Ingénierie chimique Haute température Production d’énergie Pollution Feux Processus chimiques Thermodynamique et cinétique chimique Transferts de chaleur conduction/diffusion/rayonnement Transferts de masse - convection - diffusion (moléculaire ou turbulente) Avant-propos : quelques généralités sur la combustion Les différents types de flammes et les régimes d’écoulement Réactifs prémélangés Introduction des réactifs Réactifs non prémélangés Régime d’écoulement Régime laminaire Re<2100 Régime turbulent Re>2100 Bec Bunsen/Cuisinière Moteur diesel/moteur fuséeTurbine à gazMoteur à allumage commandéBougieBriquet Avant-propos : quelques généralités sur la combustion Réactifs prémélangés virole ouverte Réactifs non prémélangés ou flammes de diffusion virole fermée Flammes prémélangées et turbulentes Impossible à modéliser en prenant en compte une chimie détaillée (possibilité avec un mécanisme réduit) Cas des flammes plates prémélangées Support expérimental de choix pour le développement et la mise au point de mécanismes chimiques complexes de combustion : -Milieu monodimensionnel -Régime laminaire => possibilité de s’affranchir des interactions entre les processus chimiques impliqués et tout l’aspect mécanique des fluides - Possibilité d’appréhender la cinétique de combustion et de dégradation d’un composé chimique spécifique. Avant-propos : quelques généralités sur la combustion Une flamme stabilisée sur un brûleur est dite plate lorsque les gaz frais sont consommés et injectés à la même vitesse. Chambre de Combustion -Zone primaire : siège de la combustion -Zone secondaire : dilution des gaz brûlés avec l’air du compresseur - Flamme laminaire 1D prémélangée de méthane-air - Combustion isobare (1/4/8 bars) - Préchauffage des gaz (600K) Introduction Introduction Modélisation de la chambre de combustionPhyCap/COCASE Simulation de flammes dans des conditions se rapprochant le plus des conditions de fonctionnement d’une turbine à gaz : Prémélange gazeux Combustible : CH4 Comburant : air 21%O2-79%N2 600K de flamme des espèces Introduction Simulation de la structure de flammes plates laminaires prémélangées 1D Introduction Deux configurations : flammes libres i.e. adiabatiques (Q=0) stabilisées sur brûleurs i.e. avec pertes de chaleur au brûleur Prédiction : des profils de température des profils des espèces de la vitesse et la température de flamme -Pas de perte de chaleur au brûleur -Nécessaire pour le calcul des SL -Température adiabatique = Tmax(thermo) Modélisation PREMIX de CHEMKIN-II Mécanisme réactionnel (données de cinétique + données de transport) : GRI 3.0 (Gas Research Institute) Nombre d’espèces : 53 Nombre de réactions élémentaires : 325 Modélisation Obtenir une base de données générale regroupant différentes conditions de combustion permettant de choisir les conditions initiales optimales satisfaisant : Les critères de fonctionnement de la turbine à gaz Les critères liés au procédé de capture Les critères d’émission de polluants Modélisation Modélisation Objectif des simulations Richesses : de =0,7 (mélanges pauvres) à =1,1 (mélanges légèrement riches) Modélisation Conditions opératoires Modélisation CH4 (g) + 2 (O2 + 3,76 N2 )(g) CO2 (g) + 2 H2O (g) + 7,52 N2 (g) air = 21% O2, 79% N2 Rapport de dilution = N2/O2 = 3,76 Richesse : trie stoechiomé comburant e combustibl mélange comburant e combustibl X X X X                   = 2 CH4 O2  1 Mélange pauvre Mélange riche Stoechiométrie Trois pressions : 1 / 4 / 8 bars Mélanges gazeux prémélangés et préchauffés à 600 K = 0,7 à1,1 Modélisation Conditions opératoires Modélisation Composition des gaz : Condition n°1 : Combustion méthane-air avec enrichissement en oxygène : de 21% à 100 % (100%=oxycombustion) de O2 = 0,7 à1,1 P =1,4 et 8 bars To=600K Modélisation Conditions opératoires Modélisation CH4 + 21% O2 + 79% N2 N2/O2 = 3,76 … CH4 + 30% O2 + 70% N2 N2/O2 = 2,33 … CH4 + 100% O2 + 0% N2 N2/O2 = 0 Combustion méthane – air Oxycombustion ENRICHISSEMENT EN O2 CH4 (g) + 2 (O2 + 3,76 N2 )(g) CO2 (g) + 2 H2O (g) + 7,52 N2 (g) air = 21% O2, 79% N2 Rapport de dilution = N2/O2 = 3,76 Richesse (ou rapport d’équivalence) : trie stoechiomé comburant e combustibl mélange comburant e combustibl X X X X                   = 0,7 à1,1 P =1,4 et 8 bars To=600K Modélisation Conditions opératoires Modélisation Composition des gaz : Condition n°1 : Combustion méthane-air avec enrichissement en oxygène : de 21% à 100 % (100%=oxycombustion) de O2 Condition n°2 : Combustion méthane-air avec enrichissement en oxygène et dilution au CO2 : de 21 % à 100 % de O2 et 20 à 60 % de CO2 en entrée = 0,7 à1,1 P =1,4 et 8 bars To=600K Modélisation Conditions opératoires Modélisation 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % CH4 + 21% O2 + 79% N2 N2/O2 = 3,76 … CH4 + 30% O2 + 70% N2 N2/O2 = 2,33 … CH4 + 100% O2 + 0% N2 N2/O2 = 0 Combustion méthane – air Oxycombustion ENRICHISSEMENT EN O2 = 0,7 à1,1 P =1,4 et 8 bars To=600K Modélisation Conditions opératoires Modélisation Cahier des charges Les critères liés au fonctionnement de la turbine à gaz Les critères liés au procédé de capture Les critères liés à l’émission des polluants Cahier des charges Cahier des charges Critères liés au fonctionnement de la turbine à gaz Vitesse de flamme > 10 cm/s => Stabilité de la flamme Cahier des charges Température (après refroidissement) < 1000°C (résistance des matériaux) Cahier des charges Chambre de Combustion -Zone primaire : siège de la combustion -Zone secondaire : dilution des gaz brûlés avec l’air du compresseur Cahier des charges Critères liés au fonctionnement de la turbine à gaz Température (après refroidissement) < 1000°C (résistance des matériaux) => Simulation de la dilution et du refroidissement des gaz brûlés avec du CO2 à 300 K => Calcul de la température finale pour un mélange adiabatique dT T C n Q Q f i f T T p i T i i i ) ( 0 ?     Cahier des charges Gaz frais CH4 / air / CO2 Gaz brûlés Préchauffage To=600 K Zone de réaction CO2 300 K Ti=Tflamme Tf? Système adiabatique Cahier des charges Critères liés au fonctionnement de la turbine à gaz Cahier des charges Critères liés au procédé de capture Cahier des charges Une pression partielle en CO2 de 30 % est nécessaire : XCO2 > 30% à 1 bar XCO2 > 7,5% à 4 bars XCO2>3,75% à 8 bars Polluants : NOx, CO, imbrûlés Critère NOx : <10 ppm @ 15%O2 (fumées humides) – critère turbines EINOx=6 (2005) EINOx=3 (2020) (ADEME) Cahier des charges Critères liés à l’émission des polluants finale O NO NO calculé GB X ppm X O ppm NOx X 2 2 21 , 0 15 , 0 21 , 0 ) ( % 15 @ ), ( 2       finale O initiale O initiale O NO NO calculé GB X X X ppm X O ppm NOx X 2 uploads/Industriel/cocase-icare.pdf