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Thèse Année : 2011

COMBUSTION STUDY OF MIXTURES RESULTING FROM A GASIFICATION PROCESS OF FOREST BIOMASS

Etude de la combustion de gaz de synthèse issus d'un processus de gazéification de la biomasse des forêts

Eliseu Monteiro Magalhaes
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 910089

Résumé

Syngas is being recognized as a viable energy source worldwide, particularly for stationary power generation. In the current work, three typical syngas compositions have been considered as representative of the syngas resultant from forest biomass gasification, and the possibility of using it in internal combustion engines is studied. First, laminar burning velocities have been determined from schlieren flame images at normal temperature and pressure, over a range of equivalence ratios within the flammability limits. The study of the effects of flame stretch rate is performed through the determination of Karlovitz and Markstein numbers. Second, because of the gaps in the fundamental understand of syngas combustion characteristics, especially at elevated pressures that are relevant to practical combustors, constant volume spherical expanding flames were employed to measure the laminar burning velocity for pressures ranges up to 20 bar. This information on laminar burning velocity of syngasair flames is then applied in a multi-zone heat transfer simulation code of the wall-flame interaction in order to predict the quenching distance of typical syngas-air flames. Engine-like turbulent conditions were experimentally reproduced in a rapid compression machine (RCM) when working on two strokes mode simulating a single cycle of an internal combustion engine. Stationary power applications usually use natural gas as fuel, thus a methane-air mixture is also included in this work as a reference fuel for comparison with the typical syngas compositions under study. Single compression tests were also performed in the RCM operating with and without combustion in order to identify different parameters related with its operation, namely the heat transfer to the walls. A simulation code for the power cycle of syngas-fuelled engines has been developed. Model validation has been carried on over detailed experimental data available in literature for hydrogen and methane. An attempt to adapt the model to the RCM is made by changing several aspects of the model namely the in-cylinder volume function and burning rate model. Conclusion could e drawn that the adapted code is able to reproduce the in-cylinder pressure. The validated model is then applied to a syngas-fuelled engine in order determine its performance. Conclusion can be drawn that typical syngas compositions besides its lower heat values and burning velocities can be used on SI engines even at elevated rotation speeds.
Les gaz de synthèse (Syngas) sont reconnus comme sources d'énergie viables, en particulier pour la production d'électricité. Lors de cette étude, trois compositions de syngas ont été retenues. Elles sont représentatives de gaz issus de la gazéification de la biomasse forestière. Leur potentiel dans des systèmes de production d'énergie utilisant un Moteur à Combustion Interne (MCI) a été étudié. Leur vitesse de flamme en régime laminaire a été déterminée à partir de visualisation par strioscopie. Les effets du taux d'étirement ont été quantifiés au travers de la détermination du nombre de Karlovitz et de Markstein. En raison des lacunes de la littérature sur les caractéristiques de combustion de ces syngaz, la méthode de combustion sphérique a été utilisée pour déterminer la vitesse de flamme sur un domaine de pression de 1 à 20 bars. Ces résultats ont ensuite été utilisés dans un code de simulation multi-zones prenant en compte les transferts de chaleur aux parois afin d'estimer la distance de coincement. Une analyse en régime turbulent a été menée en Machine à Compression Rapide (MCR), machine capable de reproduire un cycle compression-détente d'un moteur à combustion interne. En général, les applications stationnaires de production électrique utilisent le gaz naturel comme carburant, mélange majoritairement constitué de méthane. Pour servir de référence à la comparaison des capacités des trois syngaz retenus, un mélange méthane-air a été testé également. Afin d'identifier les différents paramètres liés au fonctionnement de la MRC, en particulier les transferts de chaleur aux parois, des essais sans combustion ont été réalisées. Enfin un code de simulation du cycle d'un moteur à piston utilisant ces syngaz comme combustible a été développé. Sa validation a été réalisée en utilisant les données expérimentales disponibles dans la littérature concernant des mélanges hydrogène-air et méthane-air, et également à l'aide des données obtenues sur la MCR. Le modèle a finalement été utilisé pour déterminer les performances d'un moteur à piston fonctionnant avec ces sysngaz. Il a été observé que les compositions typiques de syngas, même avec des capacités calorifiques et la vitesse de flamme plus faibles, peuvent être utilisées pour les moteurs à allumage commandée et ceci à des vitesses de rotation élevées.
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Dates et versions

tel-00623090 , version 1 (13-09-2011)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00623090 , version 1

Citer

Eliseu Monteiro Magalhaes. COMBUSTION STUDY OF MIXTURES RESULTING FROM A GASIFICATION PROCESS OF FOREST BIOMASS. Engineering Sciences [physics]. ISAE-ENSMA Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechique - Poitiers, 2011. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00623090⟩
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