etude expérimentale et modélisation de flammes pauvres prémélangées ch 4 /c 2 h 6 /c 3 h 8 /h 2...
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Etude expérimentale et modélisation de flammes pauvres prémélangées CH4/C2H6/C3H8/H2 à
basse pression
S. de FERRIERES, A. EL BAKALI, J-F. PAUWELS, M. MONTERO
Laboratoire de PhysicoChimie des Processus de Combustion et de l ’AtmosphèrePC2A - UMR CNRS 8522
Université des Sciences et Technologies de Lille59655 Villeneuve d’Ascq Cedex France
Introduction
La combustion pauvre Température de combustion moins élevéeRéduction des émissions de NO thermiques
Concentrations en carbone et en oxygène plus faibles
Réduction de CO, CO2
La substitution d’hydrogène Meilleure stabilité Diminution du carbone et de l’oxygène
Sommaire
Dispositif expérimental
Résultats expérimentaux
Modélisation cinétiqueMécanismes GRI 3.0 et GDF-Kin
3.0Comparaison expérience -
modélisation
Conclusions et perspectives
Premixed gases(CH4/C2H6/C3H8), O2, N2,
H2
Pumping station
Extraction and
compression chamber
Gas Chromatography
Analysis(GC/TCD/FID –
GC/MS)Pumping station
Dispositif expérimental
Flammes plates basse pression
Combustion chamber
Moving Flat flame burner
Quartz microprobe
Flammes prémélangées [CH4/C2H6/C3H8/H2]/O2/N2
Techniques d’imagerie
X. Mercier
C1C2C3/ 0% H2 C1C2C3/ 60% H2
Flammes laminaires de gaz naturel synthétiqueet de gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7)
Etude de la stabilité et du caractère monodimensionnel des flammes
Flammes diluées avec 72% N2
P = 60 Torr - Débit global : 310 L.h-1
Flammes gaz naturel/air, (80% gaz naturel / 20% hydrogène) / air, (40% gaz naturel / 60% hydrogène) / air
Φ= 0,7
Caractéristiques des flammes étudiées
100%GN 80%GN/20%H2 40%GN/60%H2CH4 0.0611 0.0546 0.0371C2H6 0.0062 0.0055 0.0038C3H8 0.0014 0.0013 0.0008O2 0.2136 0.2055 0.1174H2 0 0.0156 0.063N2 0.7178 0.7175 0.7179
Résultats expérimentaux
Profils de fraction molaire des espèces stables
0 0.2 0.4 0.6 0.80.1 0.3 0.5 0.7
Burner d istance (cm )
0
0.02
0.04
0.06
0.01
0.03
0.05
Mo
lar
fra
ctio
n
Lean C1C2C3 flam eM ole fraction o f CH4
0% H2
20% H2
60% H2
Réactifs : CH4 et C2H6
Structure des flammes laminaires de gaz naturel et gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7)
0 0.2 0.4 0.6 0.80.1 0.3 0.5 0.7
Burner d istance (cm )
0
0.02
0.04
0.06
0.01
0.03
0.05
Mo
lar
fra
ctio
n
L ean C1C2C3 flam eM ole fraction o f CH4
0% H2
20% H2
60% H2
0 0.2 0.4 0.6 0.80.1 0.3 0.5 0.7
Burner d istance (cm )
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.001
0.003
0.005
0.007
Mo
lar
fra
ctio
n
Lean C 1C2C 3 flam eM ole fraction of C2H 6
0% H2
20% H2
60% H2
CH4 C2H6
Espèces intermédiaires: C2H4 et C2H2
0 0.2 0.4 0.6 0.80.1 0.3 0.5 0.7
Burner d istance (cm )
0
0.0004
0.0008
0.0012
0.0002
0.0006
0.001
Mo
lar
fra
ctio
n
L ean C1C2C3 flam eM ole fraction o f C2H4
0% H2
20% H2
60% H2
-68%
0 0.2 0.4 0.6 0.80.1 0.3 0.5 0.7
Burner d istance (cm )
0
4E-005
8E-005
0.00012
0.00016
2E-005
6E-005
0.0001
0.00014
Mo
lar
fra
ctio
n
L ean C1C2C3 flam eM ole fraction o f C2H2
0% H2
20% H2
60% H2
-80%
C2H4 C2H2
Structure des flammes laminaires de gaz naturel et gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7)
0 0.4 0.8 1.2 1.60.2 0.6 1 1.4
Burner d istance (cm )
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.005
0.015
0.025
0.035
Mo
lar
fra
ctio
n
Lean C 1C2C 3 flam eM ole fraction of CO
0% H2
20% H2
60% H2
Produits de combustion: CO et CO2
-39%
0 0.4 0.8 1.2 1.6 20.2 0.6 1 1.4 1.8
Burner d istance (cm )
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.01
0.03
0.05
0.07
Mo
lar
fra
ctio
n
Lean C 1C2C 3 flam eM ole fraction of CO 2
0% H2
20% H2
60% H2
-37%
CO2CO
Structure des flammes laminaires de gaz naturel et gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7)
Profils de température
0 5 10 15 20 25D istance therm ocouple-brû leur (m m )
0.0E+000
4.0E+002
8.0E+002
1.2E+003
1.6E+003
2.0E+003
Tem
péra
ture
(K
)
T0% H 220% H 260% H 2
•Thermocouple recouvert
• Correction des pertes
par radiation
Structure des flammes laminaires de gaz naturel et gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7)
- Modélisation cinétique
- Codes de calcul PREMIX (CHEMKIN II)
- Mécanismes GDF-Kin®3.0 et GRI3.0.
- Comparaison des profils de fraction molaire des espèces expérimentaux et modélisés
Structure des flammes laminaires de gaz naturel et gaz naturel/ hydrogène (P = 60 Torr, Φ = 0,7)
Modélisation cinétique des flammes
GDF-Kin®3.0 121 espèces et 874 réactions El Bakali et al., 2006
GRI3.0 53 espèces et 325 réactions G. Smith et al., 1999
Mécanismeréactions
Base de données thermodynamiques
Cpk°, Hk°, Sk°
Base de données de transport
PREMIX
Librairie de sous-programmesCHEMKIN II
Profils de fractions molaires modélisés
caractéristiques des flammes
Texp (K)
Comparaison expérience - modélisationRéactif : CH4
C1C2C3/ 0% H2 C1C2C3/ 60% H2
0 2 4 6 8D istance from the burner surface (m m )
0.0E+000
2.0E-002
4.0E-002
6.0E-002
8.0E-002
Mol
e fr
actio
n
C H 4Exp.G D F-K in® 3.0G R I 3 .0
0 2 4 6 8D istance from the burner surface (m m )
0.0E+000
1.0E-002
2.0E-002
3.0E-002
4.0E-002
Mol
e fr
actio
n
C H 4Exp.G D F-K in® 3.0G R I 3 .0
C1C2C3/ 0% H2 C1C2C3/ 60% H2
Comparaison expérience - modélisationRéactif : C2H6
0 2 4 6 8D istance from the burner surface (m m )
0.0E+000
2.0E-003
4.0E-003
6.0E-003
8.0E-003
Mol
e fr
actio
n
C 2H 6Exp.G D F-K in® 3.0G R I 3 .0
0 2 4 6 8D istance from the burner surface (m m )
0.0E+000
1.0E-003
2.0E-003
3.0E-003
4.0E-003
Mol
e fr
actio
n
C 2H 6Exp.G D F-K in® 3.0G R I 3 .0
0 4 8 12 16D istance from the burner surface (m m )
0.0E+000
5.0E-003
1.0E-002
1.5E-002
2.0E-002
2.5E-002
3.0E-002
Mol
e fr
actio
n
C OExp.G D F-K in® 3.0G R I 3 .0
C1C2C3/ 0% H2 C1C2C3/ 60% H2
Comparaison expérience - modélisationProduit de combustion : CO
0 4 8 12 16D istance from the burner surface (m m )
0.0E+000
1.0E-002
2.0E-002
3.0E-002
4.0E-002
Mol
e fr
actio
n
C OExp.G D F-K in® 3.0G R I 3 .0
0 2 4 6 8D istance from the burner surface (m m )
0.0E+000
1.0E-005
2.0E-005
3.0E-005
Mol
e fr
actio
n
C 2H 2Exp.G D F-K in® 3.0G R I3.0
0 2 4 6 8D istance from the burner surface (m m )
0.0E+000
4.0E-005
8.0E-005
1.2E-004
1.6E-004
Mol
e fr
actio
n
C 2H 2Exp.G D F-K in® 3.0G R I® 3.0
Comparaison expérience - modélisation Espèce intermédiaire : C2H2
53%
C1C2C3/ 0% H2 C1C2C3/ 60% H2
61%
88%82%
0 2 4 6 8D istance from the burner surface (m m )
0.0E+000
1.0E-004
2.0E-004
3.0E-004
4.0E-004
Mol
e fr
actio
n
C 2H 4Exp.G D F-K in® 3.0G R I3.0
0 2 4 6 8D istance from the burner surface (m m )
0.0E+000
4.0E-004
8.0E-004
1.2E-003
Mol
e fr
actio
n
C 2H 4Exp.G D F-K in® 3.0G R I® 3.0
Comparaison expérience - modélisation Espèce intermédiaire : C2H4
43%
C1C2C3/ 0% H2 C1C2C3/ 60% H2
30%
48%
Peut-on considérer que l’hydrogène est responsable de la réduction de CO et de CO2 dans les flammes de GN/H2?
Deux flammes prémélangées étudiées à 60 Torr
6.6% GN / 19.4% O2 / 74% N2
C = 0.75
6.6% GN / 9.7% H2 / 19.4% O2 / 64.3% N2
C+H = 1 , C = 0.75
Rôle de l’hydrogène sur la réduction de CO et CO2
0 0 .4 0 .8 1 .2 1 .6 20.2 0.6 1 1.4 1.8
Burner d istance (cm )
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.01
0.03
0.05
0.07
Mo
lar
fra
ctio
n
CO20% H 2
60% H 2
0 0 .4 0 .8 1 .2 1 .6 20.2 0.6 1 1.4 1.8
Burner d istance (cm )
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.005
0.015
0.025
0.035
Mo
lar
fra
ctio
n
CO0% H 2
60% H 2
Rôle de l’hydrogène sur la réduction de CO et CO2
(% H2 dans le combustible)
• Etude de la structure chimique de flammes basse pression CH4 / C2H6 / C3H8 / O2 / N2 , [20% (CH4/C2H6/C3H8)]/80% H2/O2/N2 et [40% (CH4/C2H6/C3H8)]/60% H2/O2/N2 dans les conditions pauvres.
• Diminution très importante de CO, CO2, C2H4 et C2H2 dans la flamme [40% (CH4/C2H6/C3H8)]/60% H2/O2/N2
• Le mécanisme GDF-Kin®3.0. prédit bien la consommation des réactifs et des produits. Les espèces intermédiaires hydrocarbonées sont sous-estimées.
•Rôle de H2 sur la réduction de CO et CO2
Conclusions et perspectives
• PerspectivesEtude de flammes stoechiométriquesProfils de fraction molaire de H2O par IRTF – Bilans matièreStructure de flammes à pression atmosphériqueInfluence de la présence de H2 sur la formation de NOOxydation des mêmes mélanges dans des conditions² moteur