Experimental investigation of flame structure of CO2-diluted syngas and biogas mixtures by laser diagnostics

• Main Author: Rehel, Brendan
• Format: Others
• Published: École de technologie supérieure 2013
• Online Access: http://espace.etsmtl.ca/1196/1/REHEL_Brendan.pdf; http://espace.etsmtl.ca/1196/2/REHEL_Brendan%2Dweb.pdf

Ce projet de recherche a pour but d’examiner expérimentalement la structure de flamme laminaire par spectroscopie Raman et ce, pour différents syngas et biogaz. Les carburants gazeux, qui ont été prédéfinis par un partenaire industriel, sont composés d’une combinaison de H2, CO et CH4 et de la présence d’un diluant, le CO2. Plus précisément, la structure de flamme pour chaque carburant à été défini par des mesures de température de flamme ainsi que des mesures des espèces majeures dans la flamme (dont l’H2, CO, H2O, CO2, O2, N2 et CH4 où approprié) à une richesse de 3, une nombre de Reynolds de 1400, et une température et pression standard. Au total, quatre groupes de carburants ont été considérés dans cette étude : 1) un carburant biogaz avec 40% CO2; 2) quatre carburants de syngas avec dilution de CO2; 3) trois carburants de syngas avec 5% CH4 et 20% CO2; 4) deux mélanges de méthanesyngas avec dilution CO2. Ainsi, l’analyse des résultats expérimentaux a été divisée en quatre sections, chacune correspondant à un groupe de carburants. En ce qui concerne le biogaz avec 40% CO2, les résultats démontrent que la position radiale de la valeur maximale d’H2O correspond à la position radiale d’une concentration de CH4 égale à zéro ainsi que la position où l’O2 atteint une valeur minimale. La valeur maximale de la température se situait à la frontière de la réaction chimique de la flamme. Toutefois, l’axe central de la flamme se composait largement de carburant imbrûlé. Les quatre carburants syngas avec dilution de 25% de CO2 démontrent qu’une diminution du ratio H2/CO entraine une diminution dans la température de flamme en raison d’une augmentation des pertes de chaleur par radiation causée par la croissance de la production de CO2. La diminution du ratio H2/CO provoque aussi une augmentation de la hauteur du cône interne de la flamme, ce qui indique une baisse de la vitesse de flamme laminaire. De plus, l’augmentation du ratio H2/CO amène une croissance de la production d’H2O et une diminution de la hauteur du cône interne. L’addition de CO2 au carburant cause une diminution de la hauteur de flamme ainsi qu’une réduction de la température de flamme. Concernant les flammes de syngas avec 5% CH4 et 20% CO2, les résultats démontrent que le CH4 réagit et/ou se dissocie tôt dans l’évolution de la flamme. La hauteur du cône interne de la flamme diminue avec l’augmentation du ratio H2/CO, indiquant une augmentation de la vitesse de flamme. L’addition de l’H2 peut augmenter la vitesse de flamme grâce aux effets chimiques sans influencer la température de flamme adiabatique. Les deux mélanges méthane-syngas avec dilution CO2 démontrent que le CH4 dissocie tôt dans le développement de la flamme. La concentration maximale de l’H2O s’y trouve à la même distance radiale que la température maximale. Parmi tous les carburants, les frontières de réaction pour les flammes laminaires partiellement prémélangée sont caractérisées par la diminution de la concentration des réactants, une augmentation des produits de combustion, et la diminution de la température de flamme à la valeur ambiante.