Développement de brûleurs industriels à l'ammoniac et de capacités de modélisation

RÉSUMÉ 

L'ammoniac, utilisé comme combustible pour le chauffage industriel et la production de vapeur, est envisagé comme une solution permettant de réduire les émissions industrielles de gaz à effet de serre, en particulier dans les régions dépourvues de gisements de gaz naturel ou d'espaces poreux pour le stockage_{du CO₂}. L’ammoniac présente un intérêt en tant que combustible à faible empreinte carbone en raison de sa densité énergétique et de la facilité de transport qui en découle par rapport à l’hydrogène et à d’autres alternatives ; de l’existence de protocoles, de normes et d’infrastructures déjà en place pour le transport de l’ammoniac ; et du fait qu’il permet d’éviter la mise en place d’installations supplémentaires et la consommation d’énergie nécessaire pour convertir l’ammoniac d’un milieu vecteur (ammoniac/hydrocarbure) en combustible (hydrogène).  

En raison de sa faible vitesse de combustion laminaire et de sa tendance à générer des concentrations élevées d’oxydes d’azote (_NOx), l’ammoniac pose des défis en tant que combustible par rapport aux combustibles à base d’hydrocarbures gazeux et d’hydrogène. Cet article décrit l’évolution, à ce jour, d’un brûleur commercial s’inspirant des différents concepts de brûleurs Zeeco, destiné à des applications de chauffage industriel et de production de vapeur. Il décrit également la mise au point d’outils de modélisation permettant de prédire les performances de combustion de l’ammoniac dans un brûleur destiné à des applications commerciales.  

Les travaux de développement technique décrits ici s'inscrivent dans le cadre d'un programme plus vaste sur la combustion de l'ammoniac mené par ExxonMobil, qui comprend des travaux de recherche fondamentale menés par le Massachusetts Institute of Technology (MIT) et l'université de Stanford, visant à approfondir la compréhension de la combustion de l'ammoniac afin de permettre la mise au point d'un brûleur à ammoniac destiné à des applications commerciales spécifiques.

Les résultats des essais menés sur le brûleur GLSF FREE JET® modifié Zeeco, sélectionné à l’issue d’une série d’essais portant sur différents modèles de brûleurs, sont présentés ici. Ces essais ont été réalisés avec différents mélanges d’ammoniac et d’hydrogène ou de gaz naturel dans des conditions de fonctionnement variables, démontrant ainsi les progrès réalisés dans le développement d’un brûleur à l’ammoniac capable de produire une flamme stable avec_{des émissions de NOx} maîtrisables. Cet article présente les données d’essais sur les émissions d’ammoniac issues de trois modèles de brûleurs commerciaux, ainsi que les analyses de dynamique des fluides computationnelle (CFD) qui les étayent et une discussion sur la manière dont la CFD peut être utilisée pour prédire les performances de combustion lors de la combustion d’ammoniac. Le recours conjoint aux essais de combustion et à la CFD est essentiel pour développer de nouvelles technologies et prédire les performances dans des applications commerciales avec un degré de certitude raisonnable. Enfin, cet article présente les prochaines étapes du programme de développement de brûleurs à l’ammoniac destinés au marché.

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INTRODUCTION

L'intérêt pour la combustion de l'ammoniac en tant que combustible sans carbone destiné aux systèmes énergétiques ne cesse de croître, en particulier dans les régions où les ressources locales en gaz naturel (GN) et les possibilités de séquestration_{du CO₂} sont limitées, voire inexistantes. La forte densité énergétique de l'ammoniac, sa faible intensité carbone et la facilité de transport qui en découle en font un combustible attractif par rapport à de nombreuses alternatives, y compris l'hydrogène. De plus, bien que son utilisation ne soit pas encore généralisée, l'industrie dispose déjà de protocoles, de normes et d'infrastructures en place pour la manutention et le transport de l'ammoniac. Enfin, la combustion directe de l’ammoniac élimine le besoin d’installations et la consommation d’énergie supplémentaire nécessaires à la conversion de l’ammoniac en hydrogène. Les premières applications de la combustion de l’ammoniac se trouvent dans les centrales à charbon d’Asie, où l’ammoniac est testé en tant que combustible d’appoint. Cette configuration réduit les émissions_{de CO₂}, mais repose toujours sur la technologie de réduction catalytique sélective (SCR) pour réduire à la fois les émissions thermiques et les émissions_{de NOx} liées au combustible.

Par rapport aux gaz combustibles industriels couramment utilisés, les propriétés de l’ammoniac sont très différentes et sont présentées dans le tableau 1 ci-dessous. Il se caractérise par une faible vitesse de propagation de la flamme, une température de flamme plus basse, des limites d’inflammabilité étroites et une cinétique chimique plus lente. Ces caractéristiques font de l’ammoniac un combustible beaucoup plus difficile à brûler. De plus, lorsque l’ammoniac se décompose à haute température, l’azote réagit avec l’oxygène libre, les radicaux hydroxyles et d’autres composés, produisant ainsi de grandes quantités d’oxydes d’azote (NO,_NO₂,_N₂O). Pour permettre une utilisation à grande échelle de l’ammoniac en tant que combustible sans carbone pour le chauffage industriel et la production d’électricité, ces défis liés à la combustion doivent être surmontés.

Tableau 1. Comparaison entre l'ammoniac et les gaz combustibles courants.

ExxonMobil et Zeeco lancé une initiative conjointe visant à mettre au point un brûleur à ammoniac commercial pouvant être utilisé dans des équipements de chauffage industriels neufs ou existants (chauffage de procédé, production de vapeur, etc.). Ce programme de développement a pour objectif de produire un brûleur offrant une grande souplesse en matière de composition du combustible, garantissant des performances stables dans toutes les conditions de fonctionnement et visant à réduire les émissions de GES. Les objectifs d'émissions fixés pour ce projet sont les suivants : un taux_{de NOx} inférieur à 200 ppm (idéalement inférieur à 100 ppm) et un taux de fuite d'ammoniac inférieur à 50 ppm (de préférence inférieur à 10 ppm) à 3 %_d'O₂ en poids sec. Cet article décrit les travaux de développement menés à ce jour.

DÉVELOPPEMENT DES BRÛLEURS, PLAN D'ESSAIS ET INSTALLATIONS D'ESSAIS

Plan de développement et de test :

Trois concepts de brûleurs ont été retenus comme points de départ pour le développement d'un brûleur à ammoniac destiné au marché commercial :

1. 1. Le brûleur GBZeeco: un brûleur à gaz brut classique doté d'un système de stabilisation de la flamme par corps tronqué, monté sur une seule buse centrale d'alimentation en combustible
2. 2. FREE JET GLSF FREE JET Zeeco– un brûleur_{à très faibles émissions de NOx} (ULNB) doté d’embouts de combustion à plusieurs niveaux stabilisés sur une tuile réfractaire chauffée et dont la flamme provient d’embouts de combustion auxiliaires situés à l’intérieur de la tuile
3. 3. Le brûleur GLSF DTZeeco– un brûleur ULNB équipé du même type de buses à étages et auxiliaires disposées autour d’une tuile réfractaire, avec un ensemble supplémentaire de buses à étages situées sur le pourtour du brûleur

La figure 1 présente les schémas des trois concepts de brûleurs.  

Figure 1. Concepts de brûleurs en phase d'essais préliminaires - (de gauche à droite) GB, FREE JET, DT.

Les premiers essais et l'optimisation de la configuration des brûleurs ont été réalisés sur des versions à tirage naturel, d'une puissance nominale de 4 MMBtu/h, de ces trois types de brûleurs au Global Technology Center (GTC) Zeeco, près de Tulsa, dans l'Oklahoma. Le fait de tester un brûleur de taille se situant dans la partie inférieure de la gamme commerciale a permis de réaliser rapidement et à moindre coût un grand nombre d’essais. Le mélange plus intense du combustible et de l’air, rendu possible par une perte de charge plus élevée de l’air de combustion dans les brûleurs à tirage forcé, peut masquer les défauts de conception du brûleur lors du développement initial du concept. C’est pourquoi des essais en tirage naturel ont été choisis afin de mieux identifier les concepts de configuration de brûleur permettant d’optimiser la stabilisation de la flamme ainsi que les émissions_{de NOx} et_{de NH3}.

Lors de la phase initiale d'essais du brûleur, le brûleur GB mélangeait de l'ammoniac à un combustible d'appoint, car un seul flux de gaz était utilisé pour la combustion. Les modèles ULNB (FREE JET DT) utilisaient des flux de combustible distincts pour les buses auxiliaires (buses situées au centre) et les buses principales (buses disposées autour de la tuile du brûleur), ce qui permettait d’utiliser 100 % de gaz naturel ou d’hydrogène dans les buses auxiliaires centrales tout en maximisant la teneur_{en NH₃} du combustible dans les buses principales. Le gaz naturel et l’hydrogène étaient utilisés comme combustibles d’appoint.  

Les résultats de ces premiers essais ont ensuite permis d'identifier le concept de conception le plus prometteur, qui a ensuite été optimisé afin de maximiser le pourcentage d'ammoniac pouvant être utilisé dans le mélange combustible tout en garantissant une flamme stable et des émissions réduites. Ce concept, jugé le plus prometteur, sera utilisé pour mettre au point un brûleur à tirage forcé dont la capacité sera adaptée à la plage de puissance généralement observée dans la plupart des applications de chauffage industriel.

Le développement de techniques de modélisation par dynamique des fluides computationnelle (CFD) pour la combustion de l'ammoniac fait partie intégrante du développement de brûleurs à ammoniac à usage commercial. Alors que la combustion des hydrocarbures et de l'hydrogène est bien comprise grâce à des modèles cinétiques validés, la modélisation de la combustion de l'ammoniac n'en est qu'à ses débuts. Les travaux de CFD se sont concentrés sur l'amélioration des modèles de cinétique chimique et de turbulence afin de mieux simuler la combustion de l'ammoniac. L'objectif de ces travaux est de développer des outils de CFD destinés à faciliter la conception des brûleurs et à prédire leurs performances dans des applications commerciales.

Installations d'essai : 

Un four d’essai cylindrique vertical (VC) à brûleur unique, déjà en place au ZeecoGTC) et dimensionné de manière appropriée pour le brûleur de 4 MMBtu/h soumis à l’essai, a été choisi pour l’installation des équipements nécessaires à la combustion de l’ammoniac. Le four d’essai utilisé présentait une hauteur de chambre de rayonnement d’environ 14’ et un diamètre de cercle de tubes de 6’, avec un brûleur unique testé au centre du plancher du four. La température de la chambre de combustion était régulée par le débit d’eau circulant dans les tubes situés d’un côté du four VC, reproduisant ainsi la configuration d’un four cylindrique vertical commercial équipé de plusieurs brûleurs disposés en cercle à l’intérieur d’un cercle plus grand formé par les tubes de fluide de procédé.  

L'alimentation en carburant, la vaporisation, la tuyauterie et le dosage ont tous été ajoutés ou modifiés pour permettre la manipulation de l'ammoniac. Afin de garantir la sécurité des opérations, une étude de sécurité détaillée a été réalisée pour s'assurer de la mise en place d'installations adéquates, de l'élaboration des procédures d'exploitation requises et de la formation du personnel d'exploitation, dans le but d'atténuer les risques liés à la manipulation et à l'utilisation de l'ammoniac comme carburant. Les procédures d'exploitation et la formation ont notamment pris en compte la présence de personnel dans l'installation au moment des essais, les conditions ambiantes, la vitesse et la direction du vent, etc.

La mesure des émissions constituait un autre domaine nécessitant une attention particulière. Les systèmes traditionnels de mesure_{des NOx} utilisant la chimiluminescence peuvent donner des résultats trompeurs en raison d’interactions potentielles avec les fuites_{de NH₃} présentes dans le système. De plus, il était important de mesurer les fuites_{de NH₃} et_{le N₂O}pour atteindre les objectifs du programme en matière de développement des brûleurs. Les émissions_{de NOx} comprennent le NO et_{le NO₂}, mais ne tiennent pas compte du_N₂O. Dans la plupart des systèmes de combustion utilisant des mélanges de combustibles à base d’hydrocarbures et d’hydrogène, les émissions_{de N₂O}sont très faibles, généralement inférieures à 5 ppm. Cependant, en raison de la très forte teneur en azote lié au combustible dans un mélange à forte teneur en ammoniac, le risque d’émissions significatives_{de N₂O}est bien plus élevé. Les émissions_{de N₂O}n’ont historiquement pas été une source de préoccupation, car elles ne causent pas de troubles respiratoires chez l’homme, contrairement_{aux NOx}, qui contribuent à la formation d’ozone atmosphérique. Pourtant,_{le N₂O}est un puissant gaz à effet de serre ; il suscite donc une préoccupation particulière lorsque l’ammoniac est utilisé comme combustible à faible teneur en carbone pour réduire les émissions_{de CO₂}.  

Pour la mesure des émissions, les analyseurs suivants ont été installés sur le four d'essai. Il s'agissait notamment de :

• • • Un système de spectroscopie infrarouge par transformée de Fourier (FTIR) permettant de mesurer les concentrations de NO,_NO₂,_N₂O,_NH₃,_O₂,_H₂O,_CO₂ et CO
    • Système basé sur un laser à diode accordable (TDL) pour la mesure du NO,_{du NH₃} et_{de l'H₂O}
    • Analyseurs de type chimiluminescent et paramagnétique pour_{les NOx},_{le NO₂},_l'O₂ (à l'état sec) et le CO

Le système TDL a été installé dans la cheminée (figure 2) sur deux paires de raccords de buses. Les deux autres systèmes d'analyse utilisaient des systèmes d'échantillonnage chauffés indépendants pour acheminer l'échantillon de gaz de combustion vers les analyseurs situés au niveau du sol.

Figure 2. Analyseur TDL installé sur la cheminée du four d'essai

La combustion de quantités importantes d'ammoniac a donné lieu à quelques difficultés et observations, énumérées ci-dessous :

• • Les concentrations élevées d'humidité dans les gaz de combustion ont posé des difficultés aux systèmes FTIR et TDL (interférences de longueurs d'onde). Il a donc fallu mettre au point une configuration d'analyseur permettant de prendre en compte la plage attendue de concentrations de vapeur d'eau dans les gaz de combustion. À la date de rédaction du présent article, la configuration TDL permettant d'effectuer des mesures validées est encore en cours de développement ; par conséquent, toutes les mesures_{de NH₃} citées dans cet article proviennent de l'analyseur FTIR. 

  • Ammonia is a “sticky” gas and can stay adhered to the sample line tubing wall for an extended period. This made it challenging to take test point measurements that did not carry ammonia slip from previous test points. A test was conducted where the analyzer initially read <1 ppm NH₃ before ammonia fuel was introduced; upon firing, ammonia measurement spiked to 2000–4000 ppm. The sample line was opened to the atmosphere, and it took 12 minutes for NH₃ levels to drop below 10 ppm and 53 minutes to reach 2 ppm! 
  • De plus, l’ammoniac est absorbé par l’isolation du four. Lors d’un essai distinct, le brûleur a été arrêté et la porte du four a été ouverte à l’atmosphère. Au centre du four, la concentration_{en NH₃} était nulle, mais elle se situait entre 9 et 17 ppm lorsqu’elle était mesurée à 6” de l’isolation. Par ailleurs, il est arrivé que le four soit mis en marche avec_{de l’H₂} (ou du gaz naturel), mais que_{du NH₃} soit détecté en raison de la présence d’ammoniac piégé dans l’isolation, même après une purge nocturne (à tirage naturel). La figure 3 montre l’évolution de la concentration_{de NH₃} mesurée par l’analyseur FTIR en fonction du temps écoulé après l’arrêt du brûleur, lorsque celui-ci fonctionnait avec un combustible à forte teneur en ammoniac (plus de 80 % en volume). 
  • On avait constaté à plusieurs reprises que de l'ammoniac se condensait dans les conduites de combustible et s'accumulait au niveau de la vanne. Le liquide ne brûlait pas correctement dans le brûleur à gaz, et la présence de_NH₃ avait été détectée dans la cheminée. 

Figure 3. Concentration résiduelle_d'NH₃ mesurée dans la cheminée en fonction du temps écoulé depuis l'arrêt du brûleur 

RÉSULTATS DES PREMIERS ESSAIS DU BRÛLEUR

Au cours de cette phase initiale de développement, des essais sur les brûleurs ont été menés pour différentes concentrations d’O₂ en excès, avec un tirage de fond d’environ 0,3 pouce de colonne d’eau. La température de la chambre de combustion a été maintenue entre 1 600 et 1 750 °F pour la plupart des points d'essai. Au départ, aucun des trois concepts de brûleur n'a donné de bons résultats, chacun produisant des concentrations élevées d'ammoniac dans la cheminée. Chacun a fait l'objet de modifications visant à améliorer la stabilité de la flamme, à réduire_{les émissions de NOx} et de fuites d'ammoniac, et à augmenter la teneur en ammoniac du combustible. 

Le tableau 2 présente un résumé des résultats des essais pour les trois concepts de brûleurs après optimisation. Le brûleur GB conventionnel pouvait brûler jusqu’à 20 % (*) d’ammoniac lorsqu’il était mélangé à du gaz naturel et jusqu’à 60 % lorsqu’il était mélangé à de l’hydrogène. Cependant, les émissions_{de NOx} restaient élevées. FREE JET GLSF FREE JET a montré une nette amélioration, produisant une flamme stable avec 100 % d’ammoniac au niveau des buses principales, bien que les fuites d’ammoniac soient devenues inacceptables lorsque la proportion d’ammoniac dans le combustible principal dépassait 80 %. Il a également généré des émissions_{de NOx} inférieures à celles du brûleur GB. Le brûleur DT a affiché des performances similaires à celles du FREE JET, sans présenter d’avantage notable. Sur la base de ces résultats, il a été décidé de se concentrer sur le FREE JET pour la suite du développement.

Tableau 2. Résultats des premiers essais avec une teneur maximale en ammoniac dans le carburant 

Premières observations issues des essais : 

Voici un résumé de quelques observations clés issues des premiers tests :

• • Lorsque la teneur_{en NH₃} dans les buses de combustible principales a été augmentée au-delà de 80 % en volume sur le GLSF FREE JET, le brûleur est resté stable, mais la longueur de la flamme a augmenté, ce qui a entraîné un glissement important_{de NH₃} (de 200 ppm à > 1 000 ppm) dans la cheminée. Les images de la figure 4 montrent des flammes stables avec différentes teneurs en ammoniac dans les buses de combustible principales, allant jusqu’à 100 % d’ammoniac, malgré le glissement très élevé dans ces conditions. Un glissement élevé d’ammoniac peut être observé aussi bien avec du gaz naturel qu’avec de l’hydrogène comme gaz de support pour les points de test où la teneur en_NH₃ des buses de combustible principales est supérieure à 80 % en volume, comme le montrent les données de la figure 5. En dessous de 80 % d’ammoniac dans les buses de combustible principales, la plupart des points de données se situaient entre 0 et 5 ppm. 
  • Outre la réduction_{des NOx} thermiques, les brûleurs ULNB ont également permis de réduire_{les NOx} liés au combustible associés à la combustion de mélanges_{contenant du NH₃}. Le brûleur conventionnel GB a généré des émissions_{de NOx} d’environ 2 400 ppm avec un mélange composé de 60 %_{de NH₃} et de 40 % d’hydrogène. Avec le même combustible, le FREE JET GLSF FREE JET a généré des émissions_{de NOx} comprises entre 200 et 400 ppm. On suppose que les gaz de combustion entraînés dans la flamme par les buses FREE JET du brûleur FREE JET créent des zones dans lesquelles_{le NH₂} réduit le NO formé dans les zones propices à l'oxydation_{du NH₃} (fortes_{concentrations d'O₂} et températures élevées) en_N₂. 
  • N₂O emission correlated very strongly with NH₃ slip. For test points where NH₃ slip was < 5 ppm, N₂O was less than 10 ppm. Where NH₃ slip was between 5 and 100 ppm, N₂O was between 10 and 50 ppm. For NH₃ slip > 100 ppm, N₂O was 50-150 ppm. Thus, limiting NH₃ slip results in preventing N₂O emissions that erode the CO₂ emission reduction benefit of ammonia fuel. 
  • Les résultats des essais de mise en phase de l'air ont montré que même de faibles quantités d'air mis en phase dans les parties supérieures du four entraînaient une augmentation des émissions_{de NOx} d'environ 25 ppm. Par conséquent, la mise en phase de l'air dans les parties supérieures du four pourrait ne pas constituer une méthode efficace de réduction_{des NOx}. De plus, ces résultats ont montré que, pour les réchauffeurs de procédé et d'autres applications où le four fonctionne en dépression, les fuites d'air peuvent avoir un impact significatif sur les émissions_{de NOx} en conditions réelles. 
  • Les mesures d'ammoniac réalisées lors FREE JET à un débit de 3,4 MMBtu/h, avec les buses principales brûlant 10 % en volume de gaz naturel et 90 % en volume_d'NH₃, et 20 % de la chaleur provenant du gaz naturel dans les buses auxiliaires, ont donné une concentration de 1 100 ppm_d'NH₃ à 15 pieds au-dessus du sol et de 5,5 ppm dans la cheminée. L'ajout_d'ammoniac au-dessus de la flamme pour simuler une réduction non catalytique sélective (SNCR) visant à réduire_{les NOx} n'était pas envisageable en cas de combustion à forte teneur en ammoniac. L'objectif a donc été de réduire la hauteur de la flamme. 

Figure 4. Essais initiaux du modèle GLSF FREE JET répartition du carburant au niveau de l'embout principal 

Figure 5. Comparaison des émissions de cheminée du FREE JET du GLSF, avec du gaz naturel et de l'hydrogène utilisés comme combustible d'appoint 

DÉVELOPPEMENT ET ESSAIS D'UN FREE JET GLSF À TIRAGE NATUREL OPTIMISÉ

À l’issue des premiers essais, il est apparu clairement que FREE JET améliorée FREE JET GLSF FREE JET était la plus prometteuse parmi les trois concepts testés. Le brûleur a fait l’objet de développements supplémentaires afin d’améliorer ses performances lors de la combustion d’ammoniac. Comme indiqué précédemment, les premiers essais utilisaient soit 100 % de GN, soit 100 %_d’H₂, dans les buses auxiliaires afin d’assurer la stabilité de la flamme. Les buses de combustible principales utilisaient un mélange de_NH₃ et d’un combustible d’appoint (GN ou_H₂).   

Au cours du développement et des essais du brûleur amélioré, les buses auxiliaires et les buses principales ont été raccordées à la même alimentation, ce qui a permis d’obtenir une composition identique pour les deux ensembles de buses. Les paramètres de conception examinés et améliorés lors de la phase initiale de développement ont fait l’objet d’une nouvelle évaluation afin d’augmenter le_pourcentage global_{de NH₃} alimentant le brûleur, tout en s’efforçant d’atteindre les performances visées. Il s’est avéré difficile de maintenir la flamme de la buse auxiliaire afin d’assurer un allumage fiable du gaz combustible principal, et plusieurs modifications ont été testées dans les mêmes conditions de four que celles utilisées lors de la phase d’essais initiale.

Résultats des tests de performance optimisée des brûleurs :

La concentration maximale_{en NH₃} atteinte, tout en respectant les critères de performance visés, était de 70 %_{de NH₃} et 30 % de gaz naturel. Bien que cette teneur globale_{en NH₃} dans le combustible du brûleur ait été similaire à celle observée lors des essais initiaux, le fait de ne plus avoir besoin d’un approvisionnement séparé en gaz naturel à 100 % ou en hydrogène à 100 % pour les buses auxiliaires a constitué une amélioration substantielle vers la mise au point d’un brûleur adapté à une utilisation industrielle. À partir d’une teneur en ammoniac supérieure à 70 %, les fuites d’ammoniac ont rapidement augmenté. Les performances optimisées du brûleur à tirage naturel avec différentes quantités_d’NH₃ sont présentées dans les figures 7 et 8 ci-dessous. 

Figure 6. Relation entre_{les émissions de NOx} et la teneur en_NH₃ du combustible pour FREE JET GLSF à tirage naturel optimisé avec une alimentation unique en combustible 

Figure 7. Glissement_{de l'NH₃} en fonction de la teneur_{en NH₃} du combustible pour FREE JET GLSF FREE JET à tirage naturel optimisé FREE JET une alimentation unique en combustible 

FREE JET à tirage naturel optimisé, fonctionnant avec une seule alimentation en combustible, a démontré des performances solides à des concentrations élevées d’ammoniac, tout en présentant des niveaux raisonnables d’émissions_{de NOx} et_{de NH₃}. Cette conception doit encore être améliorée afin de permettre des concentrations d’ammoniac plus élevées et d’atteindre à terme un fonctionnement à 100 % à l’ammoniac adapté à une application commerciale, ce qui constitue l’objectif ultime de ce projet. La section « Travaux futurs » du présent article développe ce point. 

DÉVELOPPEMENT D'OUTILS DE MODÉLISATION CFD POUR LA PRÉVISION DES PERFORMANCES DES BRÛLEURS

Le recours à la fois aux essais de combustion et à la dynamique des fluides computationnelle (CFD) est essentiel pour le développement d’un brûleur destiné à un usage industriel. Il sera nécessaire de prévoir avec une certitude raisonnable les performances du brûleur (forme de la flamme, émissions, interactions entre les flammes, etc.) dans une application commerciale afin d’en assurer l’adoption par l’industrie. Si les outils de CFD pour les hydrocarbures et l’hydrogène sont aujourd’hui très aboutis, ils n’en sont qu’à un stade très précoce de développement pour l’ammoniac. Alors que les brûleurs individuels peuvent être évalués rapidement dans un four d’essai, l’intérêt de la CFD réside dans sa capacité à fournir des prévisions précises des performances des installations à plusieurs brûleurs, en particulier pour des applications nouvelles ou inhabituelles. 

Les travaux de CFD se sont concentrés sur la modélisation des émissions des fours liées à des phénomènes critiques mais difficiles à prévoir, tels que les fuites_{de NOx} et d'ammoniac. La méthode de modélisation CFD mise au point dans le cadre de ce projet ouvre des perspectives prometteuses pour des applications plus complexes, comme la combustion de l'ammoniac dans des équipements industriels à brûleurs multiples.

Les principales caractéristiques du modèle sont les suivantes :

1. 1.k-Ɛ réalisable, RANS en régime permanent
2. 2. Le modèle d'interaction turbulence-chimie « Eddy Dissipation Concept » (Magnussen & Hjertager¹), dont les paramètres ont été adaptés à cette application
3. 3. Un mécanisme cinétique chimique simplifié basé sur le mécanisme CRECK (Stagni et al.2) pour les mélanges de gaz naturel et d’ammoniac, ainsi que sur les mécanismes développés par le MIT dans le cadre de ce projet (Doner et al.3) pour la cinétique H-N-O, en l’absence d’hydrocarbures

Vous trouverez ci-dessous une sélection de résultats de simulation, accompagnés de comparaisons avec les données issues d'essais physiques.

Figure 8. Résultats de la simulation CFD pour un dégagement de chaleur de 4 MMBtu/h, avec un combustible principal composé à 75 %_{de NH₃} et à_{25 %} de GN, et un combustible auxiliaire composé à 100 % de GN 

La figure 9 présente des résultats CFD typiques pour un mélange de combustibles principal composé d’ammoniac et de gaz naturel dans le FREE JET GLSF FREE JET , avec un dégagement de chaleur de 4 MMBtu/h. Les tubes de refroidissement situés d’un côté du four d’essai entraînent une circulation descendante de gaz riche en oxygène à proximité des tubes, ce qui se traduit par une combustion plus rapide du combustible de ce côté de la flamme et par un déplacement de la flamme vers le côté le plus chaud du four.  

Figure 9. Vitesse de réaction nette du NO avec le modèle CRECK RM pour FREE JET GLSF à 4 MMBtu/h, avec un mélange de 75 %_{de NH₃ et 25 %} de gaz naturel comme combustible principal et 100 % de gaz naturel comme combustible auxiliaire 

La figure 9 illustre à la fois la formation et la destruction du NO dans une flamme brûlant un mélange composé de 75 %_{de NH₃} et de 25 % de gaz naturel. Le modèle intégrait suffisamment de détails cinétiques chimiques pour prédire la formation de NO à partir des voies de combustion et thermiques, ainsi que la destruction du NO par l’ammoniac via des réactions de réduction non catalytique sélective (SNCR). Ce résultat est qualitativement cohérent avec la compréhension Zeecodu fonctionnement de l’étagement du combustible, de l’entraînement des gaz de combustion et du mélange air-combustible retardé, combinée aux connaissances actuelles sur la chimie de l’oxydation_{du NH₃} et de la réduction du NO. La combinaison du retard dans le mélange air-combustible et de l’entraînement de gaz de combustion plus pauvres en O₂ et plus froids dans la flamme crée des zones adjacentes propices à la production de NO par oxydation_{de l’ammoniac} et à la réduction du NO par réaction avec_l’ammoniac dissocié et les radicaux OH.

Figure 10. Comparaison des mesures de glissement du NO et_{du NH₃} en cheminée pour les essais initiaux de carburant_NH₃/H₂ dans le cadre du projet GLSF FREE JET , par rapport aux prévisions CFD obtenues à l'aide de deux modèles cinétiques 

La figure 10 compare les émissions mesurées et prévues au niveau de la cheminée pour le NO et les fuites d'ammoniac. Le modèle CFD qui a permis d'obtenir les valeurs prévues a utilisé deux mécanismes différents :  

1. 1. Modèle chimique simplifié comprenant 50 espèces, basé sur le mécanisme détaillé de Stagni et al. 
2. 2. Modèle chimique mis au point par le MIT dans le cadre de ce projet (Doner et al.) 

Les données mesurées présentées à la figure 10 proviennent d’essais réalisés avec le FREE JET GLSF FREE JET , qui a brûlé divers mélanges d’ammoniac et d’hydrogène dans les buses principales, tandis que les buses auxiliaires étaient alimentées à 100 % en hydrogène. Le mécanisme MIT donne d’excellents résultats pour le NO dans les mélanges_NH₃-H₂, mais surestime le NO pour_l’H₂ pur. La simulation CFD utilisant les deux mécanismes prédit un glissement d’ammoniac de l’ordre d’un chiffre ou de quelques fractions de ppm jusqu’à 80 % d’ammoniac, mais les résultats varient considérablement lors de la combustion d’ammoniac pur, le mécanisme CRECK offrant de meilleures performances quantitatives. 

Figure 11. Comparaison des écarts de NO et_{de NH₃} dans la cheminée par rapport aux prévisions CFD, à l'aide de deux modèles pour FREE JET à tirage naturel optimisé 

La figure 11 présente les résultats de la simulation CFD pour FREE JET GLSF FREE JET optimisé. Ce brûleur a été testé avec du gaz naturel à 100 % et des mélanges de gaz comprenant entre 60 et 75 %_{de NH₃} (combustible unique pour les buses auxiliaires et principales). Toutes les simulations de ces essais ont été réalisées à l'aide du mécanisme réduit CRECK à 50 espèces, car le mécanisme MIT disponible au cours de ces travaux ne prenait pas en compte la chimie des hydrocarbures. 

Les prévisions concernant le NO sont raisonnablement précises pour cet ensemble de données. Les prévisions relatives au fuite d'ammoniac sont également satisfaisantes. Pour le modèle FREE JET à tirage naturel optimisé, le modèle CFD a prédit une percée de la fuite d'ammoniac à 70 %_{de NH₃} dans le combustible_, alors que les mesures réelles ont montré une percée à 75 %. La précision des prévisions des concentrations de NO et_{de NH₃} dans la cheminée est très encourageante, d'autant plus que la quantification de l'incertitude expérimentale n'a pas été étudiée et que le développement du modèle cinétique est toujours en cours.

TRAVAUX À VENIR

Forts du succès initial des résultats obtenus concernant la combustion de l'ammoniac présentés ci-dessus, les travaux suivants sont prévus. 

Développement des brûleurs :

Concevoir et tester un prototype de brûleur à tirage forcé inspiré du FREE JET » de GLSF, présentant les caractéristiques suivantes :

• • Capable de fonctionner à 100 % à l'ammoniac et avec un combustible de secours, à savoir soit du gaz naturel, soit de l'hydrogène 
  • Alimentation en gaz à combustible unique
  • Émissions de_NOx inférieures à 200 ppm (idéalement inférieures à 100 ppm) et fuites de_NH₃ inférieures à 50 ppm (de préférence inférieures à 10 ppm)

Développement d'outils CFD :

Les futurs travaux en CFD poursuivront la mise en œuvre de modèles cinétiques simplifiés et détaillés. Les groupes de recherche du MIT et de Stanford continueront d'apporter leur expertise pour faire progresser ces objectifs. 

CONCLUSIONS 

Les premiers essais de développement du brûleur ont démontré qu'un brûleur ULNB à tirage naturel est capable de brûler efficacement un mélange contenant 70 %_d'NH₃ dans du gaz naturel et d'atteindre, à ce niveau de concentration d'ammoniac, des performances en matière d'_{émissions de NOx} comparables à celles des brûleurs à gaz brut classiques fonctionnant avec des gaz combustibles conventionnels. Ces travaux ont également démontré que les brûleurs à combustion par paliers offrent des performances nettement supérieures à celles des brûleurs classiques lors de la combustion d'ammoniac.  

La combinaison des sous-modèles sélectionnés pour mettre en place une capacité de simulation CFD de la combustion de l'ammoniac fournit des prévisions acceptables concernant les émissions de NO et les fuites d'ammoniac pour des applications industrielles ; elle a été validée sur différentes configurations de brûleurs et différents mélanges de combustible à base d'ammoniac, tant avec de l'hydrogène qu'avec du gaz naturel. Parmi les mécanismes chimiques testés, le mécanisme CRECK réduit a permis de modéliser efficacement la combustion de l'ammoniac et des hydrocarbures, montrant une concordance raisonnable avec les tendances expérimentales, même si ce domaine nécessite encore des améliorations. 

À l'avenir, la poursuite du développement des brûleurs, étroitement associée à une modélisation CFD de pointe, devrait permettre une combustion sûre de l'ammoniac avec des émissions de NOx encore plus faibles. Le développement d'un brûleur à tirage forcé élargira encore davantage ces possibilités. 

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