Fundamental flame characteristics and combustion chemistry for ammonia/methane blended fuels
Caractéristiques fondamentales de la flamme et chimie de la combustion des combustibles mélangés à l'ammoniac et au méthane
Résumé
The study of low-carbon fuels, such as ammonia, is essential in the context of global warming. However, its combustion is challenging, particularly regarding flame stabilization and NOx emission. One solution to overcome the stabilization issues is to use a mixture of ammonia with another fuel. The aim of this thesis is the analysis of the fundamental combustion characteristics of an ammonia-methane mixture, which remains merely investigated in the literature. The objective is to understand the kinetic mechanisms leading to the formation of pollutants and the mechanisms controlling stabilization. For that purpose, this work will first focus on the combustion chemistry of these mixtures, to clarify their properties, and more specifically the structure of the flame and the emissions generated. The study of the reaction mechanisms, already validated in a limited range of conditions, showed real disparities when the range of experimental conditions is broadened. It is therefore essential to evaluate these mechanisms in diverse configurations and on a broader range of experimental results. Four detailed chemistry mechanisms were selected and evaluated in a counterflow configuration, studying the extinction stretch rate and analyzing OH and NO species profiles. The stabilization of these flames was then studied, by examining the influence of the addition of ammonia to a methane non-premixed jet flame in an air coflow. The evolution of liftoff and re-attachment limits and the hysteresis region were investigated. The dynamics of stabilization of the flame attached to the burner, its liftoff and its re-attachment have been studied to understand the particular evolution of these regimes. The results show a strong decrease in the stabilization domain with the addition of ammonia as well as a singular behavior of the re-attachment limit. Finally, the study of the attached flame highlighted the importance of aerodynamic and chemical couplings in the stabilization dynamics of the flame tip.
L’étude de combustibles décarbonés, tel que l’ammoniac, est essentielle dans le contexte du réchauffement climatique. Sa combustion nécessite cependant de relever plusieurs défis, notamment concernant la stabilisation des flammes et la production de NOx. Afin de pallier les problèmes de stabilisation, une solution consiste à utiliser un mélange d’ammoniac avec un autre combustible. Cette thèse a pour objectif l’analyse des caractéristiques fondamentales de la combustion d’un mélange ammoniac-méthane, encore peu étudié. Il s’agira de comprendre les mécanismes cinétiques conduisant à la formation de polluants et ceux contrôlant la stabilisation. Dans ce but, le travail portera d’abord sur la chimie de combustion de ces mélanges, afin de clarifier leurs propriétés, notamment la structure de la flamme et les émissions engendrées. L’étude des mécanismes réactionnels, déjà validés dans un domaine limité de conditions, a montré de réelles disparités lorsque les conditions d’étude étaient élargies. Il est donc essentiel d’évaluer ces mécanismes dans des configurations diversifiées et sur une plus large base de résultats expérimentaux. Quatre mécanismes ont été sélectionnés et évalués dans une configuration à contre-courant, via l’étude du taux d’étirement à l’extinction et l’analyse des profils d’espèces OH et NO. La stabilisation de ces flammes a ensuite été étudiée, en examinant l’influence de l’ajout d’ammoniac sur une flamme de méthane de type jet non-pré-mélangée. L’évolution des limites de suspension, de rattachement et l’étendue de la zone d’hystérésis ont notamment été examinés. La dynamique de (dé)stabilisation de la flamme attachée au brûleur, sa suspension et son rattachement ont été étudiés pour comprendre l’évolution particulière de ces régimes. Les résultats montrent une forte diminution du domaine de stabilisation avec l’ajout d’ammoniac ainsi qu’un comportement singulier de la limite de ré-attachement. Enfin, l’étude de la flamme attachée a souligné l’importance des couplages aérodynamique et chimique dans la dynamique de stabilisation du bout de flamme.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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