Modélisation CFD de l’oxycombustion

Modélisation de la dynamique des fluides numériques pour l’oxycombustion

Depuis 1997, la modélisation de la dynamique des fluides numériques (DFN) est un élément important du programme de recherche sur l’oxycombustion de CanmetÉNERGIE. L’oxycombustion est l’une des technologies perfectionnées de combustible fossile propre facilitant la génération de produits dérivés du CO2 prêts pour la compression et le stockage. L’oxycombustion est un secteur de recherche et de développement dynamique depuis 15 ans. Le programme de recherche se déroule en partie sous la direction du Consortium sur le CO2 de CanmetÉNERGIE et il obtient de l’aide dans le cadre de différents programmes de financement public passés et présents, comme l’Initiative en technologie et en innovation sur les changements climatiques et le Programme de recherche et de développement énergétiques (PRDE) de Ressources naturelles Canada.

Les techniques de modélisation de la DFN sont mises au point pour permettre une analyse des caractéristiques relatives à l’écoulement des fluides, au mélange et à la réaction d’un système de combustion. De tels détails peuvent s’avérer très utiles pour les concepteurs et les exploitants afin d’optimiser l’efficacité et la longévité du système, de réduire les émissions non désirées, de mener des études paramétriques et d’évaluer la performance nominale avant la fabrication. Par conséquent, ils offrent l’occasion d’examiner des prototypes virtuels et d’acquérir des connaissances plus approfondies relativement au comportement et à la performance de nouveaux systèmes et conceptions. L’oxycombustion nécessite généralement des oxydants comme de l’oxygène pur ou de l’air très enrichi; résultant ainsi en des températures de combustions plus élevées. Les modèles de la DFN peuvent s’avérer très utiles pour explorer des conceptions nouvelles et perfectionnées pour les brûleurs de gaz oxygénés, les chaudières et les chambres de combustion, de même que pour acquérir des connaissances approfondies sur la combustion et la formation de polluants, favorisant ainsi des cycles de conception de système plus courts en réduisant les nombres d’essais et d’erreurs. La DFN peut également compléter l’observation expérimentale et la collecte de données dans les systèmes d’oxycombustion.

Développement d’une capacité de modélisation pour les gaz oxygénés

La capacité de modélisation de la DFN des gaz oxygénés de CanmetÉNERGIE est développée en étroite collaboration avec le programme expérimental exécuté à l’installation de recherche composée d’un système de combustion vertical. Cette collaboration de recherche qui dure depuis 10 ans a été bénéfique tant pour les analystes de la DFN que les créateurs et concepteurs du système pour les gaz oxygénés. Les modèles de la DFN sont utilisés pour expliquer les interactions entre l’écoulement des fluides, la masse et le transfert de chaleur dans ces systèmes, comparer et évaluer les résultats expérimentaux, optimiser les matrices expérimentales et, par conséquent, réduire le coût et les risques liés à la mise au point d’un nouveau système et de nouvelles expériences. D’autre part, les résultats expérimentaux aident à valider les modèles de la DFN et les hypothèses formulées à cet égard, permettant ainsi de promouvoir la mise au point de nouvelles théories de modélisation.

emplacements de la mesure du repère de centre

Emplacements de la mesure du repère de centre

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Image 1

Les endroits de prises de mesures qui se trouvent le long de la ligne médiane du système de combustion vertical à alimentation descendante, endroits qui sont regroupés dans la zone de la flamme près du brûleur.

 
la température prédite

Comparaison de la température mesurée et de la température prédite

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Image 2

La comparaison entre les températures mesurées et les températures obtenues par dynamique computationnelle des fluides montre des résultats similaires. Le graphique fait état des températures obtenues par rapport à la distance d’avec le brûleur, cela le long de la ligne médiane du système de combustion. Dans ce graphique, la ligne continue représente les prévisions émanant du modèle, alors que les symboles indiqués représentent les mesures prises.

 
O2 mesurés et prédits

Comparaison des niveaux de O2 mesurés et prédits

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Image 3

La comparaison entre les niveaux d’oxygène mesurés et les niveaux obtenus par dynamique computationnelle des fluides montre des résultats similaires. Le graphique fait état des niveaux d’oxygène obtenus (volume en pourcentage, degré d’humidité) par rapport à la distance d’avec le brûleur, cela le long de la ligne médiane du système de combustion. Dans ce graphique, la ligne continue représente les prévisions émanant du modèle, alors que les symboles indiqués représentent les mesures prises.

 

Applications de la capacité de modélisation de la DFN des gaz oxygénés

Les applications actuelles des capacités de modélisation de la DFN de CanmetÉNERGIE comprennent la simulation de configurations expérimentales, l’appui de la mise au point et le dépannage des nouvelles configurations du brûleur de gaz oxygénés et de la chambre à combustion. Ces applications visent les systèmes de gaz oxygénés efficaces en matière de captage et de stockage du CO2.

répartition de la température

Répartition de la température pour la conception à 2 brûleurs

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Image 4

Les profils de température des deux modèles de brûleur sont indiqués. Le premier modèle de brûleur a provoqué l’apparition d’une zone chaude sur les parois du système de combustion. Le deuxième modèle de brûleur a provoqué une zone chaude centralisée et axisymétrique beaucoup plus souhaitable.

 
évaluation des émissions de NOx

Évaluation des émissions de NOx pour la conception à 2 brûleurs

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Image 5

Les profils de NOx pour les deux modèles de brûleur sont indiqués. Le graphique fait état des concentrations de NOx obtenues (parties par million, degré d’humidité) par rapport à la distance d’avec le brûleur, cela le long de la ligne médiane du système de combustion. Le brûleur qui n’est pas axisymétrique a produit un peu plus de NOx.

 

La modélisation de la DFN continuera à jouer un rôle important dans la mise au point de nouveaux principes liés à l’oxycombustion. Nos chercheurs recherchent constamment de nouvelles façons d’améliorer les modèles de la DFN afin de perfectionner les technologies pour un charbon propre et les nouveaux secteurs d’application comme la gazéification du charbon basée sur l’oxygène.

Géré par CanmetÉNERGIE au centre de recherche d'Ottawa (Ontario).