The structure of a combustion front propagating in a fixed bed of crushed oil shale : co-current configuration

• Auteur / Autrice : Márcio Ferreira Martins
• Direction : Sylvain Salvador
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique et transferts
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT

Mots clés

Mots clés contrôlés

Schistes bitumineux

Combustion

Huiles de schiste

Réacteurs à lit fixe

Résumé

La propagation d'un front de combustion au sein d'un milieu poreux réactif met en œuvre des mécanismes thermiques, chimiques et de transfert, avec de forts couplages. Afin de caractériser la structure thermique et chimique du front, un dispositif expérimental finement instrumenté permettant la réalisation d'expériences de combustion co-courant 1D a été mis au point, puis validé avec un milieu poreux modèle : un mélange carbone/sable. Ce réacteur à lit fixe vertical est alimenté en air descendant ; un dispositif original permet de prélever des microéchantillons de gaz au sein même du front. La combustion du schiste bitumineux de Timahdit au Maroc broyé à 500-1000 µm et additionné de sable est réalisée avec une vitesse d'air (de Darcy à 20°C) de 0. 024 m s-1. Le front se propage à 6. 13x10-5 m s-1 et sa température de pic est de 1100 °C. Un bilan matière est établi sur la base d'une caractérisation chimique et physique détaillée du milieu, de son résidu solide après combustion et des produits gazeux. La matière organique est convertie pour1/4 en carbone fixe – dont l'oxydation fournit l'énergie qui propage le front -1/4 en gaz de pyrolyse et 1/2 en huile. Un modèle numérique à deux températures développé par l'IMFT a été validé. Les approches à la fois expérimentale et numérique permettent in fine d'évaluer l'épaisseur des différentes zones de réaction : devolatilisation du schiste, oxydation du résidu carboné et décarbonatation de CaCO3. Une étude de variation des paramètres principaux - vitesse d'air et taille des particules - est finalement proposée

The structure of a combustion front propagating in a fixed bed of crushed oil shale: co-current configuration. The propagation of a combustion front in reactive porous medium involves thermal, chemical and fluid flow mechanisms, with strong couplings. In order to describe the thermal and chemical structure of the combustion front, a new experimental device, finely instrumented, allowing to carry out 1D experiments in co-current combustion was designed and developed. To validate the combustion cell, a porous medium model - a mix of charcoal/sand was used. This fixed bed down flow reactor is equipped with an original system that allows micro sampling gas within the combustion front. For the experiments with the oil shale from Timahdit in Morocco, it was crushed and sieved into particle size at 500-1000 µm and mixed with sand. The combustion was carried out at air velocity of 0. 024 m s-1 at STP. The front propagates at 6. 13x10-5 m s-1 and its temperature peak is 1100 °C. A mass balance was made based on a detailed chemical and physical characterization of the medium, its solid residue after combustion and flue gas. The organic matter is converted into 1/4 of fixed carbon – which the oxidation reactions provide the energy to propagate the front -1/4 into pyrolysis gas and 1/2 into oil. A two temperature numerical model developed by IMFT was validated. Combining, experimental and numerical approach made it possible in fine to evaluate the thickness of the different reaction zones: oil shale devolatilization, fixed carbon oxidation and CaCO3 decarbonation. A parametric study varying the air velocity and particle size is finally proposed.