Étude numérique de la production de gaz de synthèse par combustion riche du méthane dans un brûleur poreux

Roussel, Yann (2022). Étude numérique de la production de gaz de synthèse par combustion riche du méthane dans un brûleur poreux. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les syngas sont des produits valorisables utilisés en chimie industrielle pour produire des biocarburants ou du méthanol. La combustion d’un mélange air-carburant à forte richesse dans un milieu poreux permet la production de gaz de synthèse. L’objectif de ce mémoire est de modéliser numériquement la production de syngas dans un brûleur poreux, basé sur la maille de diamant, par combustion riche du méthane.

La géométrie de la matrice poreuse est inspirée du travail de Samoilenko et al., 2019 pour obtenir des matrices poreuses régulières avec des structures en maille de diamant (obtenable par impression 3D) avec les mêmes propriétés (perméabilité et porosité) que des mousses industrielles. Les différents paramètres étudiés sont la porosité et la densité de pores. La nouveauté est l’introduction d’un brûleur à géométrie étagée.

La simulation direct 3D à l’échelle des pores est utilisée en raison de la complexité géométrique de la matrice poreuse. La combustion d’un mélange air-méthane d’une richesse de 2 est modélisée, l’écoulement étant laminaire. Le débit est ajusté pour stabiliser la flamme et étudier les syngas produits. Le modèle numérique et la résolution sont réalisés sur le logiciel StarCCM+.

Les syngas obtenus ont un ratio H2/CO proche de 1 dans tous les cas étudiés, mais les quantités de syngas produites sont différentes. L’efficacité de conversion varie de 41 % pour le cas de référence à 43% lorsque la densité de pores augmente. Elle monte à 59% lorsque la porosité diminue (divisé par 2) et atteint même 63% pour la géométrie étagée. L’étude des précurseurs de suie montre également une diminution de 10% pour ce dernier cas. Indépendamment des cas, l’augmentation du préchauffage se traduit par une augmentation de la production de syngas. Également, la réaction à lieu dans une cellule de la structure dans tous les cas.

La conversion en syngas est donc favorisée par la recirculation de la chaleur dans le matériau solide (ici SiSiC). On peut donc influencer cette conversion en jouant sur les paramètres suivants : augmenter la densité de pores ou diminuer la porosité pour maximiser la surface d’échange ou bien avoir une géométrie variable avec des pores denses dans la zone de préchauffage et plus d’espace dans la zone de réaction. La géométrie variable représente une alternative pour améliorer les rendements de conversion sans recourir à un catalyseur tout en étant facilement réalisable par impression 3D.

Titre traduit

Numerical study of synthesis gas production by rich methane combustion in a porous burner

Résumé traduit

Syngas is a valuable product used in the chemical industry to produce biofuels or methanol. The combustion of an air-fuel mixture at a high equivalence ratio in a porous medium enables the production of syngas. The objective of the present research is to numerically model the production of syngas in a porous burner, based on a diamond lattice structure, through the rich combustion of methane.

The geometry of the porous matrix is derived from the one proposed by Samoilenko et al., 2019 to obtain regular porous matrices with a diamond lattice structure (obtainable by 3D printing) having similar properties (in terms of permeability and porosity) than industrial foam. The different parameters studied are the porosity and pore density. The novelty is the introduction of a burner having a graded geometry.

Direct 3D simulation at the pore scale is used because of the geometrical complexity of the porous matrix. The combustion of an air-methane mixture with an equivalence ratio of 2 is modelled considering laminar flows. The flow rate is adjusted to stabilize the flame and study the nature of the so-produced syngas. The numerical model and the resolution are performed using the Star-CCM+ CFD software.

The produced syngas exhibits a H2/CO ratio close to 1 in all the studied cases but the quantities of the syngas produced are different. The conversion efficiency varies from 41% for the reference case to 43% when the pore density increases. It rises up to 59% when the porosity decreases (divided by 2) and it even reaches 63% for the graded geometry. The study of soot precursors also shows a 10% decrease in the latter case. In any cases, the increase in the preheating efficiency results in an increase in the production of syngas. Also, the reaction takes place in one cell of the structure in all cases.

The conversion to syngas is thus promoted by the recirculation of heat in the solid material (here SiSiC). To that end, the following parameters can be influenced: increasing the pore density or decreasing the porosity to maximize the exchange surface or having a variable geometry with dense pores in the preheating zone and more space in the reaction zone. The variable geometry represents an alternative to improve the conversion yields without requiring the use of catalyst materials. It can, moreover, be easily obtained by 3D printing.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par articles présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maitrise avec mémoire en génie aérospatial". Comprend des références bibliographiques (pages 107-119).
Mots-clés libres:	brûleur poreux, syngas, modélisation 3D, maille diamant, brûleur étagé
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Seers, Patrice
Codirecteur:	Codirecteur Lemaire, Romain
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie aérospatial
Date de dépôt:	27 oct. 2022 14:17
Dernière modification:	27 oct. 2022 14:17
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3104

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