Etude des mécanismes physico-chimiques impliqués dans la dévolatilisation et l’oxydation de combustibles solides pulvérisés sous atmosphères plus ou moins riches en oxygène

par Cyril Bruhier

Thèse de doctorat en Optique et lasers, Physico-Chimie, Atmosphère

Sous la direction de Éric Therssen et de Romain Lemaire.


  • Résumé

    Le charbon demeure à l’heure actuelle l’un des combustibles fossiles les plus couramment employés afin de produire de l’énergie. Son utilisation accrue dans le futur devra toutefois être conciliée avec la problématique de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Des procédés permettant de limiter les émissions de CO2 ou de faciliter son captage, à l’image de l’oxycombustion, sont de fait actuellement développés. Leur implémentation à l’échelle industrielle implique toutefois de lever un certain nombre de verrous scientifiques liés à la compréhension des mécanismes physico-chimiques d’oxydation du charbon pulvérisé sous atmosphères plus ou moins riches en oxygène. Ce travail de thèse a de fait porté sur la mise au point d’un banc d’essais de laboratoire permettant d’étudier la combustion du charbon en reproduisant des conditions de chauffe analogues à celles rencontrées industriellement. Le brûleur hybride qui a été mis au point lors de ce travail a permis d’analyser des flammes jets de combustible solide sous atmosphères O2/N2 et O2/CO2 contenant des teneurs variables en oxygène. Une caractérisation détaillée des champs de vitesse et de température dans la chambre réactionnelle a été opérée. Des mesures de température des semi-cokes dans les flammes et de concentrations d’espèces gazeuses (CO, CO2, O2, NO, NOx et SOx) ont également été réalisées tout au long de la combustion. Des prélèvements de semi-cokes à différents temps de séjour ont enfin été opérés de sorte à obtenir des profils de dévolatilisation qui ont pu être confrontés à divers modèles empiriques issus de la littérature. L’ensemble des données que nous avons obtenues nous a permis de mettre en évidence l’impact d’un enrichissement en oxygène du milieu réactionnel sur les cinétiques de dévolatilisation et sur les mécanismes de formation de polluants tels que les NOx et les SOx. Les travaux menés sous oxycombustion ont pour leur part permis de mieux appréhender les différences fondamentales entre la combustion du charbon pulvérisé sous air et sous atmosphères O2/CO2. Pour terminer, des essais préliminaires de combustion de mélanges à base de charbon et de bois ont également été menés, la co-combustion de charbon et de biomasse constituant un autre moyen de limiter les quantités nettes de CO2 émises dans l’atmosphère.

  • Titre traduit

    Study of physical-chemical mechanisms involved in pulverized fuels devolatilization and oxidation under oxygen enriched atmospheres


  • Résumé

    Coal is currently one of the most widely used fossil-fuel for energy production applications. Its increasing use in the near future will have to face the greenhouse gas reduction objectives. Different processes have thus been developed to reduce CO2 emissions or ease their capture as oxy-fuel combustion for instance. The implementation of such techniques at industrial scale implies fundamental works to be undertaken to better understand the physical-chemical processes involved in the oxidation of pulverized coal under oxygen enriched environments. The present work has thus focused on the development of a lab-scale test bench allowing the study of coal combustion with heating rates similar to those met in industrial combustors. The hybrid burner that has been set up allowed the analysis of different solid fuels jet-flames under O2/N2 and O2/CO2 atmospheres containing various amounts of oxygen. A detailed characterization of the velocity and temperature fields has been carried out in the combustion chamber. Char temperatures and gaseous species concentrations (CO, CO2, O2, NO, NOx and SOx) have also been monitored during the combustion. Char samples at different residence times have finally been collected to derive devolatilization profiles that have been compared to simulated data issued from various empirical models from the literature. Obtained results clearly illustrate the impact of an oxygen enrichment of the reaction medium on devolatilization kinetics and pollutants formation including NOx and SOx. Works conducted in the fields of oxy-fuel combustion allowed to better understand the fundamental differences between pulverized coal combustion under air and O2/CO2 environment. Finally, preliminary experiments have been conducted using coal and wood blends since coal co-combustion with biomass appears to be another interesting mean to reduce net CO2 emissions into the atmosphere.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?