Fils d'Ariane

University : Main content

Titre de page

PEPS MASYNBIOZ

Contenu de la page principale

Mélange Ammoniac-SYNgaz ou BIOgaZ pour atteindre la décarbonation en 2050

Projet Exploratoire de la cellule Energie du CNRS
Durée ► 12 mois
Démarrage ► Janvier 2022
Image
cnrs

Contexte

Suite au Green Deal, la Commission Européenne a affiché son objectif d’atteindre la neutralité carbone d’ici 2050. Tous les secteurs seront concernés :du transport à l’énergie en passant par le secteur industriel. Pour ce faire, la part de sources renouvelables dans le mix énergétique est envisagée à 40%, que ce soit directement par les énergies vertes et renouvelables (éolien, solaire, etc.) ou les combustibles issus de la biomasse et des déchets, autre solution de capture, stockage et utilisation du carbone. Cependant, l’intermittence des énergies vertes et renouvelables, ainsi que le besoin de maintenir un approvisionnement sécurisé en électricité requiert de pouvoir stocker le surplus énergétique en période de faible demande. Un des moyens de stockage possible est le stockage électrochimique à travers des molécules telles que l’hydrogène et l’ammoniac.  L’ammoniac est une alternative intéressante car il possède de nombreux avantages sur l’hydrogène : plus faible coût par unité d’énergie stockée, plus grande densité énergétique volumique, important réseau de production et de distribution, stocké liquide à seulement 9 bar à température ambiante.

Actuellement, l’ammoniac est principalement considéré en mélange avec des combustibles conventionnels (gaz de charbon, essence, gaz naturel) pour réduire l’empreinte carbone des procédés industriels. En effet, à cause de sa très haute température d’auto-inflammation et de sa faible vitesse de flamme, il reste difficile à maitriser en terme de performances énergétique et d’émissions.

Lorsqu’on s’intéresse aux carburants produits à partir de biomasse, les deux voies les plus usuelles sont la méthanisation et la gazéification. La méthanisation est un procédé de digestion anaérobique à 40°C qui permet d’obtenir principalement du méthane et du CO2 dans des proportions qui varient généralement peu. La gazéification est, quant à elle, un procédé de conversion thermique de la biomasse en syngaz contenant majoritairement de l’hydrogène (H2), du monoxyde de carbone (CO), du méthane (CH4), de l’azote (N2) et du dioxyde de carbone (CO2).

Image
MASYNBIOZ

Selon le type de procédé, par exemple hydrothermal (375-500°C) ou pyro-gazification (800–1000°C), de gazogène (lit fluidisé ou fixe), les paramètres (température, vitesse de chauffe, richesse) ou encore la matière première, la composition du syngaz peut grandement varier, non seulement d’une installation à une autre mais aussi au cours du temps pour une même installation. Le tableau ci-dessous présente comme exemple trois compositions de syngaz issus de différentes matières premières (noyaux et résidus de fruits) avec le même gazogène.

 

Biomasse Température du réacteur (°C) %H2 %CO %CH4 %CO2 %N2
Olive 800 16.58 23.06 3.41 4.66 52.29
Pêche 700 12.14 19.96 10.72 5.27 51.91
Raisin 800 18.63 16.94 2.02 6.02 56.39

 

L’usage de syngaz en combustion représente donc encore un défi puisque cette grande variabilité de composition va impacter les propriétés fondamentales de combustion et donc les performances des applications industrielles. L’un des paramètres fondamentaux dans ces procédés est la vitesse de flamme laminaire qui demeure difficile à prédire du fait de la grande variabilité de composition du syngaz qui résulte d’un grand nombre de facteur lié à son procédé de production. La prédiction devient d’autant plus difficile si l’on ajoute l’ammoniac dans le mélange du fait de ses propriétés de combustion particulières. Jusqu’alors, les travaux autour de la vitesse de flamme de syngaz se sont principalement concentrés sur des mélanges H2/CO et parfois avec un composé additionnel comme le méthane ou un diluant, N2 ou CO2. Deux exceptions récentes sont à noter avec des mesures de vitesses de flamme laminaire pour des compositions de syngaz « complètes » ou « réelles » représentatives de trois types de gazogène.

Récemment, quelques études se sont penchées sur des mesures de vitesses de flamme NH3/Syngas et le développement de mécanismes réactionnels mais là encore, elles se concentrent sur des mélanges simples de syngaz : H2/CO voire sur l’impact de chacun de ces 2 composants pris séparément. Des comportements non-linéaires sur la vitesse de flamme pour les mélanges NH3/CO sont d’ailleurs à noter. Il se pose donc toujours la question de l’impact d’une composition de syngaz « réelles » sur d’une part la vitesse de flamme mais aussi sur les chemins réactionnels puisque chacun des composants du syngaz pourrait avoir une contribution différente selon sa proportion dans le mélange. En outre, peu de travaux font mention de l’impact sur la sensibilité à l’étirement de ces mélanges : longueur de Markstein, nombre de Lewis.

Par ailleurs, s’intéresser à des compositions de syngaz complète peut s’avérer d’intérêt pour les NOX. En effet le syngaz étant naturellement fortement dilué (>50%, cf. tableau), sa température de combustion est basse et pourrait permettre de maintenir un niveau d’émission de NO thermique bas sur les applications. En ce qui concerne le biogaz (CH4/CO2), les travaux d’Okafor et al. ont permis d’investiguer les vitesses de flamme et la cinétique des mélanges NH3/CH4. Il reste néanmoins à investiguer l’effet du CO2 : simple diluant ou acteur de la chimie.

 

Objectifs

Les objectifs de ce projet sont  d’étudier les propriétés fondamentales de combustion des mélanges NH3/syngaz et NH3/biogaz à savoir vitesse de flamme laminaire et sensibilité à l’étirement dans un premier temps.

Le projet visera notamment à quantifier l’effet de la proportion d’ammoniac ou de bio/syngaz dans le mélange mais aussi de la variabilité de composition de syngaz actuellement peu considérée dans la littérature actuelle. La principale difficulté sera d’assurer un mélange homogène de l’ensemble et d’avoir une représentativité des compositions de syngaz.

Le projet permettra également d’explorer les phénomènes d’instabilités de combustion inhérentes à l’ammoniac et au syngaz : gravitionnelles voire hydrodynamiques pour les mélanges selon la teneur en H2. L’identification de ces instabilités, même en configuration sphérique est importante pour la correcte mesure de la vitesse de flamme mais aussi dans l’optique d’une utilisation sur brûleur.

Dans un second temps, la dépendance aux conditions initiales (pression et température simultanément, fait séparément dans les études actuellement disponibles) sera étudiée.

Enfin, l’analyse des chemins réactionnels et leur sensibilité sera réalisée, mais représente un défi du fait du nombre de composant et nécessite un mécanisme robuste contenant l’ensemble des espèces du syngaz (pas de mécanisme spécifique dédié disponible actuellement).

 

 

Déroulement

Le projet est composé de 3 tâches organisées comme suit :

Tâche 1 : Mesure de vitesse de flamme laminaire à pression constante.

Dans une enceinte de combustion sphérique laminaire, une campagne de mesure de vitesse de flamme laminaire à pression constante et des longueurs de Markstein pour une seule condition initiale de pression et température sera réalisée. Pour différentes compositions de syngaz (3 compositions types envisagées) une composition biogaz (pour référence), un balayage de quantité de NH3 dans le mélange sera effectué. Les mesures seront faites pour différentes richesses assurant la stabilité de mélange pauvre à riche.

 

Tâche 2 : Détermination de la dépendance en pression et température de la vitesse de flamme.

Une deuxième enceinte de combustion sphérique sera utilisée pour réaliser des mesures à volume constant. Cela permettra la détermination des coefficients de dépendance à la température et la pression de la vitesse de flamme sur une grande plage de condition. L’effet de la composition et du mélange sur ces coefficients sera également étudié.

 

Tâche 3 : Identification de mécanisme réactionnel et analyse de sensibilité.

L’objectif de cette tâche est tout d’abord de réaliser une étude bibliographique sur les mécanismes cinétique contenant l’ensemble des espèces considéré voire d’en créer un nouveau à partir de mécanismes existants. Des simulations de vitesses de flamme seront réalisées pour comparaison avec les résultats expérimentaux obtenus sur les deux enceintes

Pour une condition donnée, une analyse de sensibilité des mécanismes sur la vitesse de flamme sera réalisée selon la teneur en NH3 et la composition du syngaz afin de déterminer les réactions prépondérantes selon le mélange et la composition. A partir de ce travail des pistes d’améliorations de mécanismes pourront être proposées.

Image
Flamme

 

Résultats attendus

En termes de retombées, les résultats obtenus permettront la publication d’un article dans un journal tel que Combustion and Flame, Fuel, ou encore Energy & Fuels avec également une diffusion sur HAL d’une version préliminaire pour une communication open access des résultats.

En outre, ce projet pourrait permettre de fournir un mécanisme cinétique pour ces mélanges (tout du moins initier son développement) permettant une utilisation en simulation numérique CFD.

Enfin, ces premiers travaux pourraient être le départ de sur expériences plus proches des applications : sur convertisseur thermique ou brûleur par exemple afin d’explorer  les émissions de NOX et de N2O de ces systèmes pour les mélanges NH3/bio-syngaz. Ce projet exploratoire est dans le but de déposer une ANR dans le cadre de l’appel à projet générique 2023 ou pour répondre au progamme d’équipement prioritaire de recherche exploratoire.

 

Contact : Pierre BREQUIGNY ⇒ pierre.brequigny@univ-orleans.fr