Investigation expérimentale et numérique de la décomposition thermique et de la combustion d'un milieu poreux de lignite. Application à la sécurité des conduits de cheminée - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Experimental and numerical investigation of the thermal decomposition and the combustion of a lignite porous medium. Application to the safety of chimney ducts

Investigation expérimentale et numérique de la décomposition thermique et de la combustion d'un milieu poreux de lignite. Application à la sécurité des conduits de cheminée

Safae Kellali
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1219956
  • IdRef : 26679100X

Résumé

The present work is a part of the project LabCom ANR Optifum. It concerns the problematic of chimney fires caused by the ignition of the creosote deposits within the chimney duct. A significant heterogeneity exists among these deposits. Thus, an alternative and representative material has been used. The choice of the lignite material has been experimentally validated. At first, lignite thermal decomposition is studied at a very small scale. From the analysis of the experimental curves of mass loss obtained using thermogravimetric analysis, DSC measurements and literature, four pyrolysis mechanisms are proposed, one is detailed and three others are simplified in order to determine the level of complexity necessary to include in the kinetic model to correctly capture the chemistry of lignite thermal degradation. The numerical models have been validated under different heating conditions with the determination of the kinetic parameters corresponding to each kinetic scheme. Then, lignite thermal decomposition is studied under air. Three reaction mechanisms are proposed. With the growth of the scale, additional phenomena such as heat and mass transfer processes are present and must be taken into account. The description of the thermal decomposition process requires knowledge about the physical and thermal parameters of the lignite and the formed char. These properties, which are determined experimentally, constitute the input parameters for the models. The four pyrolysis models that have been already proposed and validated (0D models) are implemented as 1D models in the PATO code. The numerical results of mass loss, mass loss rate and temperatures using the 4 models are experimentally validated.At a larger scale, we have investigated the thermal decomposition and the ignition of a lignite porous medium. For this, three experimental test campaigns have been carried out. Firstly, lignite thermal decomposition has been studied using the Controlled-Atmosphere Cone Calorimeter (CACC) under different conditions (inert and oxidizing atmospheres, low and high heat fluxes, etc.) and structures of porous media (particles sizes). Secondly, a gas crossing the lignite porous medium has been imposed in counter-current to the pyrolysis front under different atmospheres (N₂, 10% d’O₂, 18% d’O₂ et 21% d’O₂), heat fluxes and structures of porous media. For this, the CACC device has been specifically modified to obtain conditions allowing a certain representativeness of chimney ducts fires (flow dynamics, oxygenation conditions, etc.). The comparative analysis of the results of the first and second campaigns demonstrates the important role of the structure of the porous medium and oxidation reactions in accelerating the lignite heterogeneous combustion.The third campaign has been carried out using an experimental bench that has been specifically developed and instrumented at the scale of the chimney duct, for this work. The main parameters influencing ignition time and its severity have been investigated with the determination of the critical conditions of ignition. Moreover, the thermal decomposition and the combustion processes of a lignite porous medium have been deeply understood through the analysis of the mass loss and the associated temperatures results obtained under different conditions: crossing gas temperature, oxygen percentage, structures of the porous medium...
Le présent travail s’inscrit dans le cadre du labCom ANR Optifum. Il concerne l’étude des phénomènes d’incendie dans les conduits de cheminée. Face à la grande diversité des dépôts qui peuvent être impliqués dans de tels sinistres, une étude expérimentale préliminaire a permis d’identifier le lignite comme matériau représentatif. Dans un premier temps, la décomposition thermique du lignite est étudiée à petite échelle. À partir de l'analyse des courbes expérimentales de perte de masse obtenues en analyseur thermogravimétrique, des mesures DSC et de la littérature, quatre mécanismes de pyrolyse sont proposés : un détaillé et trois simplifiés afin de déterminer le niveau de complexité nécessaire à inclure dans le modèle cinétique pour décrire correctement la chimie de la décomposition thermique du lignite. Les modèles numériques ont été validés sous différentes conditions de chauffage avec la détermination des paramètres cinétiques associés aux schémas cinétiques. Ensuite, la décomposition thermique du lignite est étudiée sous atmosphère oxydante. Trois mécanismes réactionnels sont proposés. A l’échelle suivante, des phénomènes supplémentaires tels que les processus de transfert de chaleur et de masse s’ajoutent et doivent être pris en compte. La description de la décomposition thermique nécessite la connaissance de paramètres physiques et thermiques du lignite et du char formé. Ces propriétés sont déterminées expérimentalement et constituent les données d’entrée des modèles. Les quatre modèles de pyrolyse déjà proposés et validés en 0 D sont implémentés en 1 D dans le code PATO. Les résultats numériques de la perte de masse, de la vitesse de perte de masse et des températures à l'aide des 4 modèles sont validés expérimentalement. A échelle croissante nous avons investigué la décomposition thermique et l’inflammation d’un milieu poreux constitué de lignite. Pour cela, trois campagnes d'essais expérimentaux ont été menées. Dans un premier temps, la décomposition thermique du lignite a été étudiée en cône calorimètre à atmosphère contrôlée sous différentes conditions (atmosphère inerte et oxydante, faible et grande puissance…) et structures de lits poreux (taille des particules les constituant). Dans un deuxième temps, un front de gaz traversant à contre-courant le front de pyrolyse a été imposé pour différentes atmosphères (N₂, 10% d’O₂, 18% d’O₂ et 21% d’O₂), puissances et structures de lits poreux. Pour cela, le cône a été modifié spécifiquement pour se positionner dans des configurations et pour des conditions permettant une certaine représentativité des feux au sein des conduits (dynamiques d’écoulement, conditions d’oxygénation, etc.).L’analyse comparative des résultats de la première et de la deuxième campagne montre le rôle important que peuvent avoir la structure du lit poreux et les réactions d’oxydation dans l’accélération de la combustion hétérogène du lignite. La 3ème campagne a été menée avec un dispositif spécifiquement développé et instrumenté à l’échelle du conduit de cheminée, pour ce travail. Les principaux paramètres qui influent le temps d’inflammation et sa sévérité ont été investigués avec la détermination des conditions minimales d’inflammation. Il a aussi s’agit de comprendre la décomposition thermique et la combustion d’un lit de lignite à travers l’analyse des résultats de pertes de masse et les températures associées sous différentes conditions : température d’air, pourcentage d’oxygène, structures du lit de lignite…
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03957278 , version 1 (26-01-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03957278 , version 1

Citer

Safae Kellali. Investigation expérimentale et numérique de la décomposition thermique et de la combustion d'un milieu poreux de lignite. Application à la sécurité des conduits de cheminée. Thermique [physics.class-ph]. Université de Poitiers, 2022. Français. ⟨NNT : 2022POIT2293⟩. ⟨tel-03957278⟩
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