Soutenance mémoire
Moyens de fabrication et composition
existe trois types majeurs de procédés de gazéification : à lit mobile, à lit fluidisé et à lit entraîné (Richards et Castleton, 2010). Les avantages et les désavantages de ces techniques, de même que des exemples d’applications commerciales, ont été révisés par Hossein Sahraei, McCalden, Hughes et Ricardez-Sandoval (2014). Le charbon est la matière première la plus gazéifiée, fournissant près de 70% du syngas mondial. Le pétrole et le gaz naturel fournissent près de 13% chacun, tandis que la biomasse n’est la source que de 1% du syngas (Gasification Technologies Council, 2015). Le choix de la matière première influence fortement le choix du procédé de par la réactivité de la matière première et la température de gazéification. Ainsi, la réactivité de la biomasse est souvent supérieure à celle des charbons, ce qui implique qu’un procédé de gazéification à plus basse température est nécessaire pour convertir la biomasse que pour convertir le charbon. Le procédé à lit fluidisé, qui fonctionne à basse température, est par exemple bien adapté à la gazéification de la biomasse (Richards et Castleton, 2010). Dans les procédés à haute température, l’énergie initiale mise à faire chauffer la matière première est considérée comme étant « perdue » et réduit donc le rendement thermique du processus.
Peu importe le procédé de gazéification retenu, le processus chimique est sensiblement le même et est illustré à la Figure 1.2 (Richards et Castleton, 2010). La matière première solide (charbon ou biomasse préalablement réduit en fines particules) et un oxydant (oxygène ou air) sont acheminés en continu dans le gazéificateur. Grâce à la température et à la pression régnant dans le gazéificateur, le carbone contenu dans la matière solide (taches grises sur la Figure 1.2) réagit avec l’oxygène. Le gazéificateur est maintenu à la température désirée grâce à la chaleur dégagée par les réactions de gazéification, qui sont présentées à droite sur la Figure 1.2. De l’eau peut être ajoutée dans le processus afin d’augmenter la concentration finale en H2 en favorisant la réaction de conversion du gaz à l’eau. L’eau peut aussi permettre de contrôler la température du réacteur. La majeure partie du solide est transformée en un gaz (flèches bleues) qui est ensuite acheminé vers les diverses étapes de purification (la désulfuration des gaz issus du charbon par exemple) avant d’être brûlé dans la chambre à combustion de la turbine à gaz. Néanmoins, une partie du carbone peut se coaguler et former des suies tandis que les impuretés dans la matière première se transforment en cendres. Ces résidus solides (points noirs) tombent dans le bas du gazéificateur où ils sont évacués.
Utilisation des syngas
La substantielle variabilité de la composition du syngas est un obstacle majeur pour le développement à grande échelle de cette technologie, car la quantité de polluants générée dépend entre autres de la composition du syngas (Whitty, Zhang et Eddings, 2010, p. 169). De plus, un carburant ayant un pouvoir calorifique plus faible nécessitera un plus grand débit de carburant afin que la puissance de la turbine demeure constante. Ceci a deux implications. Premièrement, un ajustement du débit d’air est requis, en fonction du ratio air/carburant désiré. Dans le cas où l’ajustement correspond à une augmentation du débit d’air (par exemple afin de maintenir le ratio air/carburant constant), ceci entraînera une plus grande perte de pression dans la chambre à combustion, ce qui cause une perte de puissance et donc une diminution du rendement thermique (Lefebvre et Ballal, 2010, pp. 114-117; Richards, Castleton et Weiland, 2010, p. 198). Deuxièmement, une modification dans le débit de carburant change les caractéristiques de pénétration du jet, un jet plus lent réduisant le taux de mélange entre le carburant et l’air. Comme la pénétration du jet est inversement proportionnelle à l’indice de Wobbe d’un carburant (ratio entre le pouvoir calorifique et la densité) (Richards et al., 2010, p. 198), il est recommandé que cet indice varie de moins de 5% par rapport à la valeur pour laquelle la turbine a été conçue (Lefebvre et Ballal, 2010, p. 468).
Comprendre comment la variabilité de la composition du carburant influence la combustion est donc primordial afin de concevoir des turbines efficaces pouvant fonctionner sur une large plage de composition (Cheng, 2010). Dans les premières turbines à gaz, le carburant et l’oxydant (l’air) entraient séparément dans la chambre à combustion, où ils se diffusaient l’un vers l’autre pour former une flamme de diffusion (Turns, 2011, p. 486). Ce mode de combustion a l’avantage d’être simple (pas besoin de gérer le mélange entre l’air et le carburant) et plus facile à contrôler (Turns, 2011, p. 486) (c’est-à-dire plus stable (Jansohn, 2013, section 5.1)). Toutefois, afin de réduire les émissions de polluants, particulièrement de CO et d’oxydes d’azote (NOx), les turbines à gaz sont maintenant conçues pour fonctionner avec des flammes pré-mélangées (Cheng, 2010, p. 129; Jansohn, 2013, section 5.1; Lefebvre et Ballal, 2010, p. 415; Turns, 2011, p. 486) dans lesquelles, comme leur nom l’indique, le carburant et l’air sont mélangés avant la combustion. La concentration relative entre l’air et le carburant est exprimée par la richesse (φ), qui est le rapport entre le ratio massique air/carburant employé dans une situation donnée et le ratio massique air/carburant stœchiométrique (quantité d’oxygène minimale qui permet d’oxyder entièrement le carburant). Un mélange est dit stœchiométrique lorsque φ = 1, riche en carburant lorsque φ > 1, et pauvre lorsque φ < 1.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 Revue de la littérature
1.1 Présentation des syngas
1.1.1 Historique des syngas
1.1.2 Moyens de fabrication et composition
1.1.3 Utilisation des syngas
1.2 Vitesse laminaire de flamme
1.2.1 Effet du ratio H2/CO
1.2.2 Effet de la dilution au N2 ou au CO2
1.2.3 Effet de la température initiale
1.2.4 Effet de l’addition de CH4
1.3 Les instabilités du front de flamme
1.3.1 Notions fondamentales
1.3.2 Observations expérimentales
1.3.3 Les conséquences de la cellularité
1.4 Problématique
1.5 Objectifs de recherche
CHAPITRE 2 Montages et méthodologies
2.1 Description des montages expérimentaux
2.1.1 Brûleur Bunsen
2.1.2 Bombe à combustion
2.2 Incertitude des mesures expérimentales
2.2.1 Incertitude individuelle d’une variable ou d’un instrument
2.2.2 Propagation des incertitudes individuelles
2.3 Simulations numériques
2.4 Synthèse du chapitre
CHAPITRE 3 Vitesse de flamme
3.1 Incertitudes expérimentales
3.2 Résultats expérimentaux
3.2.1 Carburants testés
3.2.2 Influence du ratio H2/CO
3.2.3 Influence du CH4
3.2.4 Influence du CO2
3.2.5 Effets thermiques et cinétiques du CO2
3.2.6 Effet de la température initiale
3.3 Corrélation pour la vitesse de flamme
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 Nombre de Lewis
4.1 Procédure du calcul empirique du nombre de Lewis
4.1.1 Diffusivité massique
4.1.2 Calcul du Lei
4.1.3 Formules de mélange des Lei pour les carburants à plusieurs combustibles
4.1.4 Combinaison du carburant et de l’oxydant
4.1.5 Résumé de la procédure de calcul du Leeff
4.2 Procédure expérimentale
4.2.1 Extraction expérimentale du Le
4.2.2 Incertitude expérimentale
4.3 Évaluation des méthodes d’extraction
4.3.1 Mélanges H2-air
4.3.2 Mélanges CH4-air
4.3.3 Mélanges CO-air
4.4 Résultats et discussion
4.4.1 Flammes H2/CH4
4.4.2 Flammes H2/CO
4.4.3 Flammes de H2/CO/CH4 et de H2/CO/CO2
4.5 Conclusion
CHAPITRE 5 Cellularité
5.1 Mécanismes causant les instabilités cellulaires
5.2 Apparition de la cellularité
5.2.1 Incertitudes sur Rcr
5.2.2 Influence de l’ajout des additifs
5.2.3 Influence des propriétés de la flamme
5.3 Autoaccélération
5.4 Nombre de Peclet et prédiction de l’apparition des cellules
5.5 Conclusion
DISCUSSION ET CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I Calcul de l’incertitude de la richesse
ANNEXE II Calcul des incertitudes de la vitesse de flamme du brûleur Bunsen
ANNEXE III Calcul des incertitudes dans la bombe à combustion
ANNEXE IV Incertitude des flammes du CHAPITRE 3
ANNEXE V Incertitude de flammes sélectionnées du CHAPITRE 4
ANNEXE VI Incertitude des flammes du CHAPITRE 5
ANNEXE VII Prédiction du Leeff dans des flammes H2/CO2
ANNEXE VIII Équations pour le calcul du Pecr théorique
APPENDICES Effet de l’étirement de la flamme sur Rcr
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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