Etude exprimentale et modlisation de flammes pauvres prmlanges CH4C2H6C3H8H2 basse pression

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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 Atmosphère PC2A
- UMR CNRS 8522 Université des Sciences et
Technologies de Lille 59655 Villeneuve dAscq
Cedex France
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Introduction

• La combustion pauvre
• Température de combustion moins élevée
• Réduction des émissions de NO thermiques
• Concentrations en carbone et en oxygène plus
  faibles
• Réduction de CO, CO2

• La substitution dhydrogène
• Meilleure stabilité
• Diminution du carbone et de loxygène

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Sommaire

• Dispositif expérimental
• Résultats expérimentaux
• Modélisation cinétique
• Mécanismes GRI 3.0 et GDF-Kin? 3.0
• Comparaison expérience - modélisation
• Conclusions et perspectives

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Dispositif expérimental Flammes plates basse
pression
Extraction and compression chamber
Quartz microprobe
Pumping station
Combustion chamber
Gas Chromatography Analysis (GC/TCD/FID GC/MS)
Pumping station
Moving Flat flame burner
Premixed gases (CH4/C2H6/C3H8), O2, N2, H2
Flammes prémélangées CH4/C2H6/C3H8/H2/O2/N2
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Techniques dimagerie
Flammes laminaires de gaz naturel synthétique et
de gaz naturel/ hydrogène (P 60 Torr, F 0,7)
Etude de la stabilité et du caractère
monodimensionnel des flammes
X. Mercier
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Caractéristiques des flammes étudiées

• 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
• F 0,7

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Résultats expérimentaux Profils de fraction
molaire des espèces stables
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Réactifs CH4 et C2H6
Structure des flammes laminaires de gaz naturel
et gaz naturel/ hydrogène (P 60 Torr, F 0,7)
CH4
C2H6
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Espèces intermédiaires C2H4 et C2H2
Structure des flammes laminaires de gaz naturel
et gaz naturel/ hydrogène (P 60 Torr, F 0,7)
-68
-80
C2H4
C2H2
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Produits de combustion CO et CO2
Structure des flammes laminaires de gaz naturel
et gaz naturel/ hydrogène (P 60 Torr, F 0,7)
-39
-37
CO
CO2
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Profils de température
Structure des flammes laminaires de gaz naturel
et gaz naturel/ hydrogène (P 60 Torr, F 0,7)

• Thermocouple recouvert
• Correction des pertes
• par radiation

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- Modélisation cinétique- Codes de calcul
PREMIX (CHEMKIN II) - Mécanismes GDF-Kin3.0 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, F 0,7)
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Modélisation cinétique des flammes
Mécanisme réactions
Base de données de transport

• GDF-Kin3.0
• 121 espèces et 874 réactions
• El Bakali et al., 2006
• GRI3.0
• 53 espèces et 325 réactions
• G. Smith et al., 1999

Base de données thermodynamiques Cpk, Hk, Sk
caractéristiques des flammes Texp (K)
Librairie de sous-programmes CHEMKIN II
Profils de fractions molaires modélisés
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Comparaison expérience - modélisationRéactif
CH4
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Comparaison expérience - modélisation Réactif
C2H6
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Comparaison expérience - modélisation Produit de
combustion CO
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Comparaison expérience - modélisation Espèce
intermédiaire C2H2
61
53
82
88
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Comparaison expérience - modélisation Espèce
intermédiaire C2H4
43
30
48
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Rôle de lhydrogène sur la réduction de CO et CO2

• Peut-on considérer que lhydrogène 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
• ?CH 1 , ?C 0.75

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Rôle de lhydrogène sur la réduction de CO et CO2
( H2 dans le combustible)
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Conclusions et perspectives

• 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-Kin3.0. 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

• Perspectives
• Etude de flammes stoechiométriques
• Profils de fraction molaire de H2O par IRTF
  Bilans matière
• Structure de flammes à pression atmosphérique
• Influence de la présence de H2 sur la formation
  de NO
• Oxydation des mêmes mélanges dans des
  conditions² moteur