ARF18 - L'énergie provenant du biocarburant pour la production de chaleur industrielle et d'électricité

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Chercheur :

Dr Andrzej Sobiesiak, Dept. of Mechanical, Automotive and Mechanicals Engineering, Université de Windsor

Objectifs :

Global:

Enquêter sur la performance de la combustion des biocarburants liquides et l'améliorer, afin qu'elle puisse être appliquée à la production de chaleur industrielle et d'électricité.

Particuliers :

1. Caractériser de façon expérimentale l'atomisation et la combustion d'un brouillard de biocarburants liquides.
   

2. Caractériser de façon expérimentale la combustion de biocarburants liquides prévaporisés.
   3. Obtenir une compréhension systématique de la structure des flammes, des émissions de polluants et de la stabilité de combustion.
   

3. Établir les limites d'exploitation stables de l'oxydation sans flamme en tant que fonction pour le carburant, l'air, l'impulsion des gaz d'échappement et le refoulement du carburant.
   

4. Enquêter sur l'étendue de la reformation interne du carburant ainsi que des changements subis par la position de refoulement du carburant.
   

5. Mesurer la vitesse et la température, ainsi que leur fluctuation, les flux de chaleur et les concentrations des espèces compris dans les limites de combustion stable.
   

6. Élaborer des modèles physiques pour l'oxydation sans flamme avec reformage interne du carburant.
   

7. Lancer un modèle chimique cinétique de l'oxydation des flammes accompagnée de la reformation interne du carburant.
   

8. Développer une compréhension systématique de la structure de ces flammes, des émissions de polluants et de la stabilité de combustion.
   

9. Concevoir des systèmes de combustion pratiques qui incluent une reformation interne partielle du carburant dans les chambres de combustion à turbine chauffantes (brûleurs et chaudières).
   

10. Partager l'expérience et la connaissance cumulées avec l'industrie concernée.
    

11. Former au moins deux ingénieurs/chercheurs hautement qualifiés dans le domaine des technologies avancées de la combustion.

Avantages escomptés :

Le manque de bases de données fiables sur les gouttelettes de biocarburants, les mélanges de produits vaporisés et de vapeurs, la décomposition thermique et la combustion représente un obstacle à l'admission et à la commercialisation des biocarburants sur le marché. La recherche proposée vise à combler le fossé en améliorant la connaissance de la combustion des biocarburants dans des conditions industrielles, afin de permettre le développement de systèmes de combustion qui réduisent au minimum les impacts environnementaux. La combustion de biocarburants dans de tels systèmes optimisés accentuera le principal avantage voulant que le CO2 produit soit recyclé naturellement par le processus de la photosynthèse.

Sommaire des résultats de recherche :

Au stade initial, les biocarburants tels que le biodiesel à base de canola (esters d'huiles végétales pures et leurs mélanges à base d'alcool éthylique) et le bio-éthanol, leurs mélanges, et le carburant diesel à base de pétrole et ses mélanges avec des biocarburants ont été analysés pour en déterminer, par l'entremise d'expériences de combustion, les teneurs en suie contenue dans une gouttelette. Il apparaît qu'une gouttelette de biodiesel contient moitié moins de suie qu'on n'en trouve dans la flamme d'une gouttelette de diesel à base de pétrole. La teneur en suie a pu être encore réduite dans des mélanges contenant de l'éthanol et quand le carburant liquide était préalablement réchauffé.

Au stade 2, les essais expérimentaux étaient effectués à une petite échelle, dans un dispositif comprenant un brûleur/chambre de combustion, et dans lequel : 1) le biocarburant a été atomisé avec un atomiseur à ultrasons, 2) le carburant atomisé a été mélangé avec l'air récupéré de la combustion, 3) le mélange carburant/air pauvre a été brûlé selon une configuration de flamme de prémélange plate, 4) les produits de combustion ont été remis en circulation et mélangés avec l'air issu de la combustion puis mélangé avec le carburant.

Au stade final, des essais à plus grande échelle ont été réalisés à l'Université Queens, à Kingston. En plus d'un atomiseur à ultrasons, ces essais ont inclus une chaudière expérimentale avec recirculation interne des produits de combustion. Les caractéristiques clés d'une technologie de combustion optimisée sont les suivantes : 1) l'atomisation du biocarburant liquide à l'aide de l'atomiseur à ultrasons ainsi que le prémélange initial de l'air issu de la combustion et des produits de combustion remis en circulation pour former un mélange carburant préparé, 2) les tuyères du mélange carburant préparé qui sont positionnées à une distance radiale optimale des principaux courants d'air issus de la combustion, injectant le mélange préparé dans des produits de combustion à haute température et pauvres en oxygène issus de la chaudière, 3) les jets de mélange carburant préparé tout comme les principaux courants d'air issu de la combustion générant de grandes quantités de produits de combustion avant que leur mélange final n'ait lieu, 4) la zone de combustion s'étendant à travers l'ensemble de la chaudière sans flamme visible (d'où le nom d'oxydation sans flamme), 5) les températures internes à la chaudière uniformes et relativement basses, garantissant des émissions de NOx (oxydes d'azote) ultra-basses, 6) le transfert radiatif de chaleur comme mode d'échange de chaleur dominant de la charge de la chaudière, avec des flux de chaleur radiatifs uniformes.