An experimental study of the influence of the aerodynamic mixing on flameless combustion regime

Une étude expérimentale de l'influence des mélanges gazeux sur le régime de combustion sans flamme a été menée sur l'installation pilote du CORIA, en collaboration avec GDF SUEZ. La première partie de cette étude a été consacrée à la caractérisation détaillée de ce régime de combustion particulier au méthane pur avec et sans préchauffage de l'air comburant. Des mesures locales de température et concentrations d'espèces stables ont été réalisées à l'aide de thermocouples à fil fin et sonde de prélèvement. Une attention particulière a aussi été portée au développement et l'adaptation de techniques d'imagerie sur ce type de four : l'imagerie de chimiluminescence OH* pour la visualisation des zones de réaction et la PIV endoscopique afin d'obtenir des champs de vitesse de grandes dimensions malgré le fort confinement à haute température. L'analyse des résultats obtenus a permis de mettre en évidence le rôle principal de l'aérodynamique des jets turbulents de réactifs dans le four assurant l'obtention et la stabilisation de ce régime de combustion massivement diluée. Dans la seconde partie de cette étude, la faisabilité de l'utilisation d'hydrogène dans un four pilote fonctionnant en régime de combustion sans flamme a été démontrée. On retrouve toutes les caractéristiques intrinsèques à ce régime de combustion en termes de forte efficacité énergétique (lors du préchauffage de l'air) et très faibles émissions polluantes (CO et NOx) de ce régime massivement dilué, associé à la réduction des émissions de CO2 avec l'augmentation de la teneur en hydrogène dans le combustible. En fonctionnement à l'hydrogène pur et sans préchauffage de l?air, le four n?émet plus aucune espèce carbonée et quasiment pas de NOx ; on se rapproche d'un four à "zéro émission".An experimental study of the influence of the aerodynamic mixing on flameless combustion regime has been carried out on the CORIA lab-scale facility with the collaboration of GDF SUEZ. A detailed characterisation of this innovating combustion mode, using pure methane as fuel, with and without air preheating is the first part of this study. Temperature and stable species concentrations measurements have been performed with fine wire thermocouple and sampling probe. Imaging techniques have been developed and adapted for in-furnace measurements: OH* chemiluminescence imaging for reaction zone visualization and endoscopic PIV in order to obtain large dimensions velocity fields in spite of the confinement. The results enable us to put in evidence the leading role of aerodynamic of the turbulent jets to ensure the stabilisation of this massive diluted combustion regime. The second part of this study concerns the use of hydrogen as fuel in the pilot furnace operating in flameless combustion regime. The main characteristics of this combustion regime have been found again: high efficiency and very low pollutant emissions (CO and NOx) associated to CO2 emissions reduction while increasing content of hydrogen in the fuel. With pure hydrogen and without air preheating, the furnace produces no carbon-species and nearly no NOx, condition close to a “zero-emission” furnace