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Thèse présentée à

Normandie Université - Rouen

Spécialité Energétique

Par

Abou BÂ

Soutenue le 15 mars 2017

Oxycombustion avec préchauffage des réactifs pour la valorisation des gaz à bas pouvoir calorifique
Jury

Rapporteur
Mme Dany ESCUDIE, Directrice de Recherche, CETHIL, CNRS
M. Paul LYBAERT, Professeur, Faculté Polytechnique de Mons (Belgique)

Examinateurs
Mme Françoise BAILLOT, Professeure, CORIA, Université de Rouen Normandie
M. Olivier GICQUEL, Professeur, EM2C, Ecole Centrale de Paris
M. Remi TSIAVA, Directeur de Programme R&D Combustion, Air Liquide
M. Ludovic FERRAND, Responsable Efficacité Energétique, CMI Industry

Co-directeur de thèse
M. David HONORE, Maître de Conférences, CORIA, INSA Rouen Normandie

Directrice de thèse
Mme Armelle CESSOU, Directrice de Recherche, CORIA, CNRS

La valorisation des effluents gazeux à faible pouvoir calorifique, sous-produits de différents procédés industriels (gazéification du charbon ou de la biomasse, rejets industriels) apparait aujourd’hui comme une solution alternative pour accroître l’efficacité globale des systèmes de combustion par réduction des coûts énergétiques et contrôle des rejets dans l’environnement. Dans ce contexte, une étude expérimentale d’oxyflammes d’un gaz à très bas pouvoir calorifique, le gaz de haut fourneau (BFG), est réalisée pour évaluer l’effet conjoint de l’oxycombustion et du préchauffage des réactifs pour la stabilisation des flammes turbulentes. La configuration du brûleur consiste en un jet annulaire de gaz de haut fourneau (BFG), entouré de deux injections d’oxygène (interne ‘O2i’ et externe ‘O2e’). Son dimensionnement s’appuie sur une méthodologie originale basée sur la détermination d’une vitesse de convection critique UC* à l’extinction de flamme, dérivée d’une valeur expérimentale d’un nombre de Damköhler critique Dac*. Les structures de flammes sont caractérisées par imagerie de chimiluminescence OH* et les propriétés thermiques et chimiques sont évaluées par mesures de température et flux thermique à la paroi et de la composition des fumées. Les champs aérodynamiques 2D des écoulements réactifs sont mesurés par PIV. Quatre principales topologies de flamme sont observées avec cette configuration de brûleur et classées suivant leur mode de combustion. Sans préchauffage, les deux flammes concentriques, interne ‘O2i-BFG’ et externe ‘BFG-O2e’, sont attachées au brûleur à basse puissance (Type A) ; la flamme BFG-O2e peut présenter une stabilité intermittente (Type B), ou se décrocher du brûleur (Type C) à la puissance nominale de dimensionnement. Avec préchauffage des réactifs, la flamme annulaire BFG-O2e reste toujours accrochée au brûleur et la flamme centrale O2i-BFG présente une zone d’extinction locale pour des fortes valeurs de vitesse d’O2i (Type D). L’ensemble des résultats a permis de mettre en avant un bon accord entre les prédictions théoriques et les valeurs expérimentales de UC* avec un élargissement des domaines de stabilité de flamme avec le préchauffage. L’analyse aérodynamique permet de caractériser les transitions entre les structures de flammes. Une validation du critère de dimensionnement de l’oxy-brûleur est aussi effectuée par changement d’échelle, grâce à des mesures réalisées sur une installation semi-industrielle de 180 kW.

PREHEATED OXYFUEL COMBUSTION ADAPTED TO LOW CALORIFIC GAS

The effective utilisation of low calorific value fuel, as gaseous by-products of coal/biomass or industrial residual gases, provides not only excellent opportunities for low cost power generation but also for the reduction of environmental impact of combustion. The present work aims to consider the combination of oxyfuel combustion with fuel and/or oxygen preheating in order to increase thermal efficiency by heat recovery and enhance oxyfuel flame stabilization of blast furnace gas (BFG). This experimental study is performed with a burner consisting in an annular jet of BFG surrounded by two injections of oxygen (internal ’O2i’ and external ’O2e’). Its dimensions are determined from an original design strategy based on an experimentally critical Damköhler number Dac*, which represents the theoretical limit of stabilisation of a turbulent diffusion BFG-O2 flame with preheated reactants. Flames structures are characterized by OH* chemiluminescence imaging. Thermal and chemical flame properties are evaluated by temperature and radiative flux analysis and pollutant emissions measurements. The 2D aerodynamic fields of reactive flows are determined by velocity measurements by PIV. Four LCV flames structures are resulting from this burner configuration. Without preheating, two concentric flames, internal ’O2i-BFG’ and external ’BFG-O2e’, are anchored at the burner (Type A) at low thermal power. When increasing the latter, the external flame BFG-O2e manifests some local fluctuations (Type B) or is lifted-off (Type C). With reactants preheating, the BFG-O2e flame is always anchored at the burner tip and the O2i-BFG flame could have local extinction zone for very high values of internal oxygen velocity (Type D). The results highlight a good agreement between theoretical and experimental critical velocity UC* which significantly increases with preheating. The aerodynamics study points out the transitions between the different flames structures. At semi-industrial scale, flames show similar structures to those obtained at laboratory scale. This validates the burner design strategy of preheated oxyfuel combustion adapted to LCV fuels, as well as the scale up criteria used.

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