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Impact de la composition du syngas sur la vitesse de flamme et la stabilité du front de flamme

Lapalme, Denis (2017). Impact de la composition du syngas sur la vitesse de flamme et la stabilité du front de flamme. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’adoption de la gazéification intégrée à cycles combinés est envisagée par l’industrie de la production d’électricité afin de remplacer les actuelles technologies utilisées dans les centrales au charbon. Cette technologie brûle, dans une turbine à gaz, des carburants synthétiques (syngas) produits par la gazéification de biomasse ou de charbon afin de produire de l’électricité. Idéalement, le syngas n’est composé que de H2 et de CO, mais du CO2 et du CH4 sont aussi fréquemment produits lors de la gazéification. L’objectif de cette thèse est de caractériser l’impact de la variation de la composition du syngas sur deux paramètres clés lors de la conception des turbines à gaz: la vitesse laminaire de flamme et l’apparition des instabilités cellulaires. Pour ce faire, une campagne de mesures expérimentales a été réalisée pour ces deux paramètres. Concernant la vitesse laminaire de flamme, il est montré que l’augmentation du ratio H2/CO augmente la vitesse, tandis que l’ajout de CO2 et de CH4 la décroît. De plus, la richesse où la vitesse atteint son maximum diminue lors d'une augmentation du ratio H2/CO ou d'un ajout de CH4 à cause de la vitesse intrinsèque de chacun de ces carburants. L'ajout de CO2 déplace aussi le maximum de vitesse vers des mélanges moins riches à cause de la réduction de la température adiabatique de flamme. Les comparaisons entre les résultats expérimentaux et numériques montrent qu’une version modifiée de la cinétique GRI-Mech 3.0 permet de mieux prédire la vitesse des syngas contenant entre 1 et 40% de CH4. Une corrélation est proposée pour calculer la vitesse en fonction de la composition du carburant, de la richesse et de la temperature initiale. Les propriétés des syngas entraînent toutefois l’apparition d’instabilités cellulaires qui provoquent une autoaccélération du front de flamme. Comme l’apparition des cellules est influencée par le nombre de Lewis du carburant, cette thèse présente une méthodologie permettant de le calculer pour les syngas. Cette méthode est validée grâce à des comparaisons avec des résultats expérimentaux pour des carburants H2/CO, H2/CH4, H2/CO/CO2 et H2/CO/CH4. À la suite du choix de la méthodologie du calcul du nombre de Lewis, l’étude sur les instabilités porte sur l’influence de l’ajout de CO2 et de CH4 au syngas. L’ajout de CO2 ne change pas le moment où les cellules apparaissent puisque la diminution du nombre de Lewis est équilibrée par la hausse de l’épaisseur de flamme. Un ajout de CH4 retarde cependant l’apparition des cellules à cause d’une augmentation de l’épaisseur de flamme tandis que le nombre de Lewis reste stable. Il est aussi observé que l’autoaccélération de la flamme ne mène pas à l’autoturbulence. Cette thèse montre que le coefficient d’autoaccélération peut être utilisé comme critère permettant de distinguer la nature du mécanisme ayant déstabilisé la flamme. Finalement, une corrélation est propose afin de prédire le moment où les cellules apparaissent, et ce en tenant compte des instabilités hydrodynamique et thermodiffusive.

Titre traduit

Impact of the composition of syngas on the flame speed and stability of the flame front

Résumé traduit

The integrated gasification combined cycle (IGCC) technology is considered by many electric power generation companies as a possible replacement for the current coal power plant technologies. The IGCC uses the synthetic gas (syngas) released during the gasification of coal or biomass to produce electricity through a gas turbine. Syngas is ideally a mixture of H2 and CO, but also often contains CO2 and CH4. Therefore, the objective of this thesis is to characterize the impact of the composition of the syngas on the laminar flame speed of the flame front and on the onset of cellular instabilities. To achieve this goal, experimental measurements were performed. It was found that laminar flame speed increases with increasing H2/CO ratio, while CO2 dilution or CH4 addition decreased it. The location of the maximum flame speed shifts to leaner mixtures with increasing H2/CO ratio or addition of CH4 because the flame speed of H2 and CH4 peak in leaner mixtures. The location of the maximum flame speed is also shifted towards leaner mixtures with the addition of CO2 due to the reduction of the adiabatic flame temperature. Comparison between experimental and numerical results shows a better agreement using a modified GRIMech 3.0, especially for H2/CO/CH4 mixtures containing between 1% and 40% CH4. A correlation, based on the experimental results, is proposed to calculate the laminar flame speed over a wide range of equivalence ratios, inlet temperatures, and fuel content. However, the onset of cellular instabilities causes the self-acceleration of the flame, which hence becomes faster than the laminar flame speed. One of the main parameters controlling the onset of cellular instabilities is the Lewis number. This thesis presents a three-step methodology for the calculation of the Lewis number of syngas. The methodology is validated by comparison with experimental results for H2/CO, H2/CH4, H2/CO/CH4 and H2/CO/CO2 fuels. Following the choice of the methodology for the calculation of the Lewis number, a study is performed to investigate the impact of the addition of CO2 or CH4 on the onset of instability in syngas. The addition of CO2 in syngas has no impact on the onset of cellularity since the promotion of instability through a decrease of Le is counterbalanced by the increase of the flame thickness. The addition of CH4, however, slows the onset, as the flame thickness is increased while Le remains stable. It was observed that the apparition of cells causes the self-acceleration of the flame, but does not lead to self-turbilization. This thesis shows that the self-acceleration coefficient of a flame can be used as a criterion for the identification of the nature of the instability. Finally, a correlation is proposed in order to predict the onset of cellular instabilities based on the hydrodynamic and thermodiffusive mechanisms.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 169-180.
Mots-clés libres: Carburants de synthèse Propriétés. Carburants de synthèse Stabilité. Flammes. cellulaire, laminaire, syngas, vitesse, nombre de Lewis effectif, instabilités cellulaires
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Seers, Patrice
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 17 juill. 2017 16:31
Dernière modification: 17 juill. 2017 16:31
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1911

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