Contribution à l'étude de la combustion de mélanges gaz naturel-hydrogène en milieu poreux catalytique

par Ségolène Gauthier

Thèse de doctorat en Mécanique. Énergétique

Sous la direction de Dominique Baillis.

Soutenue en 2008

à Lyon, INSA .

mots clés

• Énergie -- Thèses et écrits académiques
• Combustion -- Thèses et écrits académiques
• Gaz naturel -- Thèses et écrits académiques
• Hydrogène (combustible) -- Thèses et écrits académiques
• Catalyse -- Thèses et écrits académiques
• Matériaux poreux -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Dans le contexte actuel des problèmes environnementaux et de la disponibilité limitée des ressources fossiles, il est nécessaire de développer des brûleurs performants et peu polluants, et d’utiliser des sources d’énergie non fossiles. Cette étude porte sur la combustion de mélanges gaz naturel/hydrogène en milieu poreux catalytiques. En effet, les brûleurs radiants poreux permettent d’obtenir une efficacité élevée et de faibles émissions de polluants. Le comportement de ces brûleurs est cependant complexe et peut être fortement modifié par l’introduction d’hydrogène. L’objectif de cette thèse est dans un premier temps d’étudier le comportement d’un brûleur radiant poreux constitué d’un support poreux de type mousse catalysé ou non et de comprendre les phénomènes en jeu, pour ensuite étudier l’influence de la structure et de la nature du milieu poreux et pouvoir ainsi optimiser le brûleur. Des tests expérimentaux sur quatre mousses différentes (deux mousses métalliques et deux mousses céramiques) et pour des mélanges combustibles contenant de 100% vol. De gaz naturel à 100% vol. D’hydrogène ont été effectués. Ils ont permis de définir les zones de fonctionnement pour chaque support. L’ajout d’hydrogène réduit la zone de fonctionnement du brûleur jusqu’à une disparition complète du mode radiant au-delà de 80% vol d’hydrogène. Un modèle numérique a été développé. Il permet de représenter les zones de fonctionnement obtenues expérimentalement et reproduit l’évolution des émissions de polluants en fonction de la richesse, de la puissance spécifique et de la quantité d’hydrogène. Les phénomènes prenant place au sein du brûleur sont fortement couplés. Ils conditionnent la position du front de combustion et ainsi les performances du brûleur. La diminution de la conductivité thermique, du transfert de chaleur entre la phase gaz et la phase solide et du coefficient d’absorption permettent à la fois de réduire les émissions de CO et de NO et d’augmenter le flux radiatif. Leur variation est cependant limitée par une réduction de la résistance du brûleur à la remontée de la zone de combustion vers l’entrée.

Résumé

In the present context of environmental problems and the limited disponibility of fossils ressources, we need to develop burners with high efficiency and low pollutants emissions, and to use non-fossils ressources. This study deals with the combustion of natural gas/hydrogen mixtures in catalytic porous media. Indeed, porous radiant burners can show high efficiency and low pollutants emissions. Their behavior is however complex and can be highly affected by the use of hydrogen. The objective of this thesis is to study the behavior of a porous radiant burner made of a foam, catalysed or not, and to understand the physical phenomenas. Then, the influence of the structure and the nature of the porous media is studied in order to optimise the burner. Experimental tests on four different foams and for mixtures containing 100% vol. Of natural gas to 100% vol. Of hydrogen have been made. The working zones for each support have been identified. The use of hydrogen reduces the working zone of the burner. A numerical model has been developped. It can reproduce the experimental working diagrams and reproduces the evolution of the pollutants emissions with the equivalence ratio, the specific power and the quantity of hydrogen. The phenomenas in the burner are highly coupled. They affect the position of the combustion zone and then the efficiency of the burner. The decrease of the thermal conductivity, the heat transfer between the gas phase and the solid phase and the absorption coefficient induce a decrease of the pollutants emissions as well as an increase of the radiative flux. Their change is however limited by a decrease of the ability of the burner to prevent a flashback.