SEED - Systèmes Energétiques et Décarbonés

Bruleur adaptatif pour la valorisation des gaz pauvres industriels par couplage entre oxycombustion et récupération d'énergie. – CALOHRY

La combustion à l’oxygène chaud: une solution pour valoriser les effluents combustibles industriels

Rôle de la température de l’oxygène et de la température des effluents combustibles sur le comportement de la flamme et son efficacité. <br />Evaluation de son impact sur un procédé industriel <br />

Conception d’un brûleur prototype pour la combustion optimale des effluents.

Les effluents gazeux également appelés gaz pauvres, produits de différents procédés industriels, apparaissent aujourd’hui comme des combustibles potentiels pour l’industrie. Qu’ils soient le résultat de la fermentation de biomasse végétale, de la gazéification de charbon, des rejets de cokeries ou de hauts-fourneaux, de résidus gazeux de raffinerie, leur pouvoir calorifique permet d’envisager leur valorisation pour la production d’énergie notamment. <br />Sur les sites sidérurgiques, ces gaz pauvres qui sont composés de CO, H2, CH4, CO2, N2 sont aujourd’hui brûlés avec de l’air et le plus souvent avec un gaz dit « riche » (méthane, propane) dans des turbines à gaz, des turbines à vapeur, des moteurs thermiques pour en récupérer l’énergie ou dans les torchères pour des raisons environnementales ; les rejets dans l’atmosphère de ces gaz toxiques étant strictement réglementés par des taux de rejets. La combustion à l’air a l’avantage évident d’utiliser un oxydant largement disponible, l’air, mais présente des difficultés classiques : efficacité limitée, des émissions de NOx parfois importantes, une faible flexibilité dès que le procédé s’écarte du point de fonctionnement nominal. En revanche la substitution par de l’oxygène permet de lever l’ensemble de ces verrous techniques posés par cette technologie. <br />L’objectif du projet est de développer une technologie d’oxy-combustion basée sur l’oxygène chaud pour permettre de brûler efficacement une quelconque composition d’effluents gazeux. En effet l’oxygène pur d’une part et le préchauffage d’autre part permettent tous deux d’améliorer la stabilité des flammes indépendamment de la composition du gaz pauvre.

Dans un premier temps, un banc d’essai sera monté pour étudier ces flammes en laboratoire au CNRS. Ce banc sera équipé de moyens de diagnostics pour :
•La mesure de la température,
•l’évaluation quantitative des écoulements dans la flamme,
•l’enregistrement des formes et des couleurs de flammes, informations nécessaires pour en comprendre la chimie.
Une étude paramétrique sur la température de l’oxygène, sur le type d’effluent gazeux, sur l’énergie de la flamme sera réalisée pour établir un panorama complet de toutes les situations industrielles qui pourraient être rencontrées.
Cet ensemble de données obtenues dans le laboratoire sur ces flammes centimétriques (5 à 10 cm de hauteur) permettra de réaliser un brûleur 10 fois plus puissant (longueur de flammes de 1 à 2 mètres). Un tel brûleur, une fois conçu sera testé dans une enceinte à 1000°C sur une plateforme d’Air Liquide.
Ces données ainsi obtenues seront entrées dans un logiciel de simulation chez CMI Greenline. Cette configuration industrielle servira de référence pour évaluer la solution de combustion des effluents gazeux à l’oxygène chaud.

Basé sur des travaux académiques, le projet ira jusqu’à la réalisation d’un brûleur prototype testé dans une enceinte à 1000°C. Installé sur la plateforme du centre de recherche d’Air Liquide, l’enceinte sera exposée aux visiteurs occasionnels.

Les travaux sur cette technologie adressant une gamme assez large de compositions, la porte est ouverte pour son application à toute industrie utilisant des effluents gazeux tel que les biogaz, les gaz issus de la gazéification du bois, les produits de raffinerie.
L’application de ces gaz est aujourd’hui limité en raison de problématiques techniques (température de flamme trop basse) mais seraient très envisageable avec la solution développée par le projet.

Les travaux académiques feront l’objet de publications dans des revues scientifiques spécialisées en combustion.

Les gaz pauvres également appelés gaz à bas Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI), produits ou effluents de différents procédés industriels, apparaissent aujourd’hui comme des combustibles potentiels pour l’industrie. Qu’ils soient le résultat de la fermentation de biomasse végétale, de la gazéification de charbon, des rejets de cokeries ou de hauts-fourneaux, de résidus gazeux de raffinerie, leur pouvoir calorifique permet d’envisager leur valorisation pour la production d’énergie notamment.

Sur les sites sidérurgiques, ces gaz à bas PCI qui sont composés de CO, H2, CH4, CO2, N2 sont aujourd’hui brûlés avec de l’air et le plus souvent avec un gaz riche (méthane, propane) dans des turbines à gaz, des turbines à vapeur, des moteurs thermiques pour en récupérer l’énergie ou dans les torchères pour des raisons environnementales, les rejets dans l’atmosphère de ces gaz toxiques étant strictement réglementés par des limites de taux de rejets. La combustion à l’air a l’avantage évident d’utiliser un oxydant largement disponible, l’air, mais présente des difficultés classiques : efficacité limitée à cause de la teneur en azote dans l’air, des émissions de NOx parfois importantes, une faible flexibilité des technologies de combustion dès que le procédé s’écarte du point de fonctionnement nominal, l’incompatibilité avec des solutions de capture du CO2. En revanche la substitution par de l’oxygène permet de lever l’ensemble de ces verrous techniques posés par cette technologie.

L’objectif du projet est de développer une technologie qui combine oxy-combustion et récupération de l’énergie pour préchauffer les réactifs pour permettre de brûler efficacement une quelconque composition de gaz à bas PCI sans ajout de combustible riche. En effet l’oxygène pur d’une part et le préchauffage des réactifs permettent tous deux d’améliorer la stabilité des flammes indépendamment de la composition du gaz pauvre.

Basé sur des travaux académiques, le projet ira jusqu’à la réalisation d’un brûleur prototype et l’évaluation de ces performances dans une configuration industrielle de site sidérurgique. Les travaux sur cette technologie adressant une gamme assez large de compositions, la porte est ouverte pour son application à toute industrie utilisant des gaz pauvres.



Coordinateur du projet

Nniomar MARCANO (AIR LIQUIDE CTRE RECH C. DELORME)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CMI CMI Greenline Europe
CORIA - CNRS DR NORMANDIE Complexe de recherche interprofessionnel en Aérothermochimie
AL CRCD AIR LIQUIDE CTRE RECH C. DELORME

Aide de l'ANR 381 900 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2012 - 48 Mois

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