Ce mémoire de maitrise de recherche en génie mécanique relate les essais menés au laboratoire de combustion de l’Université Laval entre mai 2016 et septembre 2018 sur l’assistance électrique à la combustion du point de vue des émissions gazeuses. La combustion a été effectuée avec deux types de combustible : du propane gazeux et de la biomasse solide. Pour l’étude sur le propane, deux brûleurs ont été utilisés. Le premier est un brûleur simple générant une flamme de diffusion d’entraînement laminaire où seul le débit de propane est contrôlé. Le deuxième est un brûleur annulaire « coflow » où le débit d’air circulant dans l’anneau extérieur et le débit de propane dans le cylindre intérieur peuvent tous les deux être réglés séparément. Dans le cas de la combustion de biomasse, un appareil de chauffage a été fourni par le partenaire industriel du projet. L’assistance électrique a été implémentée de deux façons différentes : • A travers un champ électrique généré par l’application d’une différence de potentiel entre plusieurs jeux d’électrodes aux formes variées. Cette différence de potentiel est établie entre deux bornes avec une amplitude allant de 5 kV à 20 kV et un courant alternatif sinusoïdale allant de10 kHz à 20 kHz. • En faisant circuler l’air d’alimentation de certaines zones de combustion dans un générateur de décharge à barrière diélectrique (DBD) cylindrique d’une puissance maximale de 150 W à une fréquence de 8.2 kHz. Pour l’échantillonnage des émissions, une suite de trois appareils de mesure a été utilisée à des fins d’analyse des gaz d’échappement. Un spectromètre Infrarouge, couplé à un détecteur d’ionisation de flamme et un détecteur d’oxygène, permet d’obtenir de manière relativement précise des informations sur les principales molécules gazeuses que composent les gaz d’échappement émanant de nos différents brûleurs avec ou sans activation de l’assistance électrique. Les protocoles d’essais sont réalisés surmesure pour chaque brûleur et type d’assistance électrique étudiée, afin de s’adapter aisément aux contraintes techniques propres à chacun. Une attention particulière a été portée aux émissions de monoxyde de carbone (CO), d’oxydes d’azote (NOx) et autres polluants atmosphériques ou gaz nocifs pour l’être humain dans nos essais, à une époque où les considérations environnementales sont au cœur de nombreux projets. Au travers des deux types d’assistance électrique et des différents brûleurs, les émissions de CO ont systématiquement été réduites lors de son activation, indépendamment de la fréquence de la décharge électrique responsable. Jusqu’à 70% de réduction fut observé sur les essais au propane, et jusqu’à 30% sur les essais concernant la biomasse. En outre, sur les essais au propane, une explication a été avancée pour faire la lumière sur le phénomène. Il semblerait que l’énergie apporté par le champ électrique soit utilisée en partie pour franchir la barrière d’énergie d’activation de certaines réactions limitantes de combustion, entrainant la diminution du CO dans les gaz résiduels observée. On a pu mettre en évidence que ce CO a été transformé en CO2 et que, le cas échéant, la modification de l’équilibre de réaction a permis d’augmenter l’efficacité de la combustion en réduisant la concentration en composés organiques volatiles (y compris le propane imbrûlé) dans les gaz d’échappement et en y augmentant la teneur en vapeur d’eau : l’autre principal produit de la combustion avec le CO2. Les émissions de NOx sont également réduites par l’activation du champ électrique sur la combustion de propane. Par ailleurs, un découplage des émissions CO/NOx semble avoir été mis en évidence dans l’un de nos scénarios d’essais, offrant une approche prometteuse pour des applications industrielles où les compromis entre CO et NOx sont très présents et contraignants. La structure du front de flamme a également montré être sensible aux variations de l’assistance électrique, particulièrement dans le cas des champs électriques. Le front de flamme est affecté par les directions principales des lignes de courant. Cet effet s’apparente beaucoup au « vent ionique » traditionnel; nos essais ont montré que la plage de fréquences originelles de ce mécanisme (<100 Hz) peut être élargie à des fréquences bien supérieures (de l’ordre de la dizaine de kilohertz). Un mécanisme a été proposé pour expliquer cet effet dans nos essais en se basant sur l’utilisation d’une partie de l’énergie apportée par le champ électrique pour entrainer les ions de la flamme dans la direction du gradient croissant d’intensité de la différence de potentiel électrique aux bornes des électrodes, et ce, même en présence d’un champ oscillant. / This Master’s degree thesis reports the tests that were conducted at Laval University combustion laboratory between May 2016 and September 2018 on electrically assisted combustion from gas emissions standpoint. Combustion was performed with two types of fuel: gas propane and solid biomass. For the study related to propane, two burners were used. The first is a simple burner producing a laminar entrained diffusion flame for which only the propane flowrate is controlled. The second one is an annular coflow burner where the airflow in the outer cylinder and the propane flow in the inner one can both be controlled separately. For the part on biomass combustion, a home-heating appliance was provided by the industrial partner for this project. The electrical enhancement of the flame was implemented in two different ways: - Through an electric field generated by an electric potential difference applied between pairs of electrodes of various geometries. The sine wave function electric potential difference is set between a pair of electrodes with an amplitude ranging from 5 kV to 20 kV and 10 kHz to 20 kHz: and - By circulating the combustion air of the heating appliance through a 150 W - 8.2 kHz dielectric barrier discharge generator prior to its injection in the stove. For gas sampling purposes, three in-line analysers were used to monitor flue gas. An InfraRed spectrometer coupled to a flame ionisation detector and an oximeter allows the obtention of relatively precise information on the major gas molecules emitted during combustion and their evolutions with and without electrical enhancement. The test protocols were tailored for each experiment in order to adapt to the technical challenges raised by each. Focus was brought to carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx) and other major atmospheric pollutants or harmful gas to humans in our tests, in a time where environmental considerations are at the heart of many projects. For both types of electrical assistance and the various burners, CO emissions were systematically reduced when activated, regardless of the discharge frequency. Up to 70% reductions were registered on propane tests, and up to 30% reduction on biomass tests. Additionally, for the tests on propane, an explanation was provided to shine some light on the phenomenon. It seems that the energy supplied by the electric field is used in parts to overcome the activation energy barrier for some limiting reactions in the combustion mechanism, leading to a diminution of CO in the exhaust gas. Measurements provided evidence that this CO was transformed into CO2, and that, when relevant, the modification of this chemical equilibrium lead to a diminution in organic compounds (including unburned propane) and an elevation in the water vapor concentration (the other main product of combustion reactions) in the exhaust gas. NOx emissions were also reduced by the activation of the electric field on propane combustion. Moreover, a decoupling of CO/NOx emissions seemed to be identified in one of the cases studied: hinting a promising approach for industrial applications where CO and NOx emissions trade-offs are numerous and constraining. The flame front structure also showed signs of being sensitive to the variations of the electric assistance, particularly in the case of applied electric fields. The flame front is shifted in the dominant direction of the electric current streamlines. This effect is very similar to the traditional understanding of the “ionic wind”; our study has shown that the common frequency range of this effect (<100 Hz) can be widened to higher frequencies (few kHz). A mechanism was proposed to explain this phenomenon in our tests, based on using parts of the energy provided by the electric field to transfer momentum to the ions in the flame in the direction of the increasing electric potential difference gradient, even with an oscillating field.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/67304 |
| Date | 02 February 2021 |
| Creators | Bourgeois, Yaël |
| Contributors | De Champlain, Alain |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | mémoire de maîtrise, COAR1_1::Texte::Thèse::Mémoire de maîtrise |
| Format | 1 ressource en ligne (xvii, 64 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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