Optimisation des systèmes de combustion | Modélisation

Modélisation de la combustion

Au cours des 20 dernières années, CanmetÉNERGIE a mis au point et utilisé la dynamique des fluides numériques (DFN) en tant qu’outil rentable pour analyser les systèmes énergétiques. Ces systèmes sont utilisés pour promouvoir l’efficacité énergétique et la réduction des émissions dans les procédés de production d’énergie et industriels. Nous avons également utilisé cet outil pour aider à la conception, à l’optimisation du rendement, à la résolution de problèmes opérationnels, à l’évaluation des risques et à la recherche de nouvelles approches en matière de techniques liées à l’énergie.

La dynamique des fluides numériques (DFN) pour les systèmes énergétiques

La DFN fournit une représentation détaillée des procédés physiques à l’œuvre à l’intérieur de l’équipement industriel de production d’énergie ou de chaleur, comme les générateurs d’air chaud, les chambres à combustion ou les chaudières. Par exemple, la figure 1 montre un modèle de la DFN pour la combustion de mazout dans un four. Des détails sur l’écoulement biphasé, les trajectoires des gouttelettes de combustible liquide, l’évaporation du combustible, la combustion, ainsi que le transfert de chaleur rayonnante et par convection sont calculés à partir de principes fondamentaux. Une modélisation globale de la DFN facilite la compréhension des différents phénomènes physiques d’un tel procédé et fournit des connaissances approfondies pour effectuer des améliorations. Les résultats de ce calcul, comme le profil de transfert de chaleur vers les parois et le brûlage, peuvent être visualisés graphiquement de la façon illustrée à la figure 1.

Intégration à d’autres outils de modélisation

La DFN peut être jumelée à d’autres outils, comme la modélisation de procédés ou les systèmes de commande de procédés, afin de faciliter les recherches sur une partie, ou l’ensemble d’un procédé avec de l’information détaillée sur des éléments majeurs comme un four ou une chaudière. La figure 2 fournit un exemple de données provenant d’un modèle de processus fournissant des données d’entrée au modèle de la DFN; les résultats sont ensuite réacheminés au modèle de processus afin de permettre l’analyse du processus à multiples éléments.

Cette méthode de simulation est mise au point en collaboration avec une entreprise de traitement des métaux pour évaluer les reconfigurations proposées à la conduite de fours qui visent à réduire les émissions de SO2.

Partenaires de recherche

En plus de certains établissements universitaires, CanmetÉNERGIE collabore avec d’importants fournisseurs de logiciels d’ingénierie (notamment ANSYS et Computational Engineering International) pour perfectionner les technologies de simulation. Les coopérations avec des entreprises canadiennes ont également été recherchées afin d’évaluer l’applicabilité de tels outils de simulation pour régler des problèmes d’ingénierie d’ordre pratique.
Nos activités sont également intégrées dans d’autres programmes de recherche de CanmetÉNERGIE, dont la gazéification, l’oxycombustion et des technologies énergétiques pour les procédés à haute température, pour compléter les essais et générer des données de mesure pour améliorer la mise au point de modèles et valider les théories de modélisation.

Augmentation de l’accessibilité à la modélisation de la dynamique des fluides numériques

Dans le but de promouvoir une plus grande accessibilité aux outils de modélisation, des efforts sont faits pour intégrer nos capacités de modélisation et notre expérience dans de nouveaux progiciels conçus pour des utilisateurs qui ne sont pas spécialisés dans la DFN. Un exemple est le logiciel CoalFire, illustré à la figure 3. Il s’agit d’un logiciel vertical conçu pour simuler le fonctionnement des chaudières au charbon à chauffe tangentielle. Ce logiciel présente une interface personnalisée à l’utilisateur qui est cohérente avec ce type de chaudière électrique pour une spécification aisée des conditions d’utilisation, des configurations de la courroie du brûleur et des propriétés du charbon. L’ensemble du processus de simulation est automatisé, de la génération d’une grille informatique à la visualisation des résultats du modèle. Aucun ajustement des paramètres de modélisation ou de suivi de la solution n’est nécessaire. Cet outil est destiné aux opérateurs de chaudière et aux ingénieurs de centrale électrique qui ne sont généralement pas des experts en DFN. CoalFire peut réduire l’impératif du calendrier pour la simulation d’une chaudière de semaines à jours.

L'application ci-dessus a été développée conjointement avec ANSYS Canada Ltd .

Nouveau développement

Une nouvelle capacité de modélisation est en cours de développement afin de faciliter les enquêtes et la recherche dans des secteurs qui peuvent profiter de simulations de nature microscopique. La figure 4 illustre la modélisation à micro-échelle au niveau atomique de l’électrolyte de la pile à oxyde solide. Des enquêtes sont réalisées pour étudier la relation entre la structure nano du matériel et la réactivité électrochimique. On s’attend à ce que ce type de capacité de modélisation apportera une nouvelle dimension dans la conception des systèmes énergétiques de la prochaine génération.

Des travaux communs avec le département de chimie de l’Université d’Ottawa (Javier B. Giorgi et Tom Woo ). Les sphères représentent des positions atomiques : rouge — oxygène, bleu — zircon, vert — yttrium.

profil du flux de chaleur
Figure 1 : Modélisation de la DFN de la combustion de pétrole dans le four tunnel à l’échelle pilote de CanmetÉNERGIE. Les trajectoires des gouttelettes de mazout et la température moyenne sont affichées.

procédé lié à la DFN
Figure 2 : Un modèle de procédé lié à la DFN où l’écoulement des fluides, les réactions chimiques et le transfert de chaleur dans le four (jaune) sont calculés de façon détaillée.

Le logiciel vertical CoalFire
Figure 3 : Le logiciel vertical CoalFire pour les chaudières à chauffe tangentielle, mis au point en collaboration avec ANSYS Canada Ltd.

modèle moléculaire
Figure 4 : Un modèle moléculaire de la surface de l’électrolyte dans une pile à oxyde solide. Des travaux communs avec le département de chimie de l’Université d’Ottawa (Javier B. Giorgi et Tom Woo).