Développement d'un brûleur industriel à l'ammoniac : essais de combustion, modélisation et étapes menant à la mise au point d'un prototype

RÉSUMÉ 

L'utilisation de l'ammoniac comme combustible pour le chauffage industriel et la production de vapeur est envisagée par le secteur comme une option potentielle pour réduire les émissions industrielles de gaz à effet de serre, en particulier dans les régions (par exemple, le Japon et la Corée) qui ne disposent pas de gaz naturel local et/ou d'espaces poreux identifiés pour_{le stockage du CO₂} . L’ammoniac constitue une option potentiellement intéressante en tant que solution de combustible à faible empreinte carbone pour les raisons suivantes : i) sa densité énergétique, qui peut se traduire par une meilleure transportabilité par rapport à l’hydrogène, ii) l’existence de protocoles, de normes et d’infrastructures pouvant faciliter le transport de l’ammoniac, et iii) la possibilité d’éviter la mise en place d’installations supplémentaires et la consommation d’énergie associée à la conversion d’un vecteur (ammoniac/hydrocarbure) en combustible (hydrogène).

En raison de sa vitesse de flamme laminaire relativement faible, de sa sensibilité aux variations de vitesse, de sa plage d’inflammabilité étroite et de sa propension à générer des concentrations élevées d’oxydes d’azote (NOx), l’ammoniac pose des défis en tant que combustible par rapport aux hydrocarbures gazeux et aux carburants à base d’hydrogène. Cet article décrit les développements supplémentaires apportés à la conception des brûleurs et aux capacités associées de dynamique des fluides computationnelle (CFD), testés et présentés lors du Symposium sur la combustion industrielle de l’AFRC de 2025. À la suite de ces développements et travaux supplémentaires, une conception unique de brûleur, basée sur la plateforme GLSF ( FREE JET ) d’ Zeeco, spécialement destinée aux applications industrielles de chauffage et de production de vapeur à tirage forcé, sera présentée. Sont également décrites les améliorations apportées aux outils de modélisation et aux méthodes analytiques permettant de prédire les performances des brûleurs à ammoniac dans des applications commerciales.

Les travaux de développement décrits dans cet article s'inscrivent dans le cadre d'un programme plus vaste sur la combustion de l'ammoniac, financé 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 d'améliorer les performances d'un brûleur à ammoniac destiné à des applications commerciales.

Cet article présentera les données issues des essais menés sur le brûleur GLSF FREE JET modifié par Zeeco, fonctionnant en tirage forcé avec et sans air préchauffé, avec différents mélanges d’ammoniac et d’hydrogène ou de gaz naturel, dans des conditions de fonctionnement variables. Ces essais démontrent les progrès réalisés dans le développement d’un brûleur capable de produire une flamme stable dont les émissions de NOx et d’ammoniac respectent les objectifs de performance fixés. L’article inclura également des analyses CFD à l’appui, ainsi qu’une discussion sur la manière dont la CFD peut être utilisée pour aider à prédire les performances de combustion. Cet article soulignera que tant les essais de combustion que la CFD sont essentiels pour développer de nouvelles technologies et prédire les performances dans des applications commerciales avec un degré de certitude raisonnable.

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INTRODUCTION

La combustion de l'ammoniac suscite un intérêt croissant en tant que moyen de réduire les émissions de CO₂, en particulier dans les régions dépourvues de ressources en gaz naturel ou de solutions de séquestration du CO₂. L'ammoniac présente une densité énergétique élevée, une faible intensité carbone et bénéficie d'une infrastructure mondiale bien établie, ce qui le rend plus pratique à stocker et à transporter que l'hydrogène. De plus, la combustion directe de l'ammoniac permet d'éviter la consommation d'énergie et l'utilisation d'équipements nécessaires à sa dissociation en hydrogène.

Les centrales à charbon asiatiques sont parmi les premières à adopter cette technologie : l'ammoniac y est actuellement testé comme combustible de co-combustion afin de contribuer à réduire les émissions de CO₂. Cependant, ces systèmes reposent encore sur la réduction catalytique sélective (SCR) pour traiter les NOx d'origine thermique et liés au combustible générés lors de la combustion de l'ammoniac.

This program focuses on developing a commercial ammonia-fired burner suitable for both new and existing industrial heating applications. The objective is to create a fuel-flexible system that maintains stable operation under a wide variety of conditions while significantly reducing CO₂ emissions. Target performance includes NO_x emission levels below 200 ppm (with a goal of <100 ppm) and ammonia (NH₃) slip below 50 ppm (preferably <10 ppm) at 3% O₂ dry. This paper outlines the progress achieved to date.

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

Plan de développement et de test :

Les concepts de brûleurs FREE JET® d’ZEECO ont été retenus comme base pour le développement d’un brûleur commercial à tirage forcé fonctionnant à l’ammoniac. Les premiers essais et l’optimisation de la configuration ont été réalisés sur des brûleurs à tirage forcé « FREE JET » modifiés, d’une puissance nominale de 4 MMBtu/h, au Centre technologique mondial d’ Zeeco, situé près de Tulsa, dans l’Oklahoma. 

Le développement de modèles de dynamique des fluides computationnelle (CFD) constitue également un élément central du programme. Si la modélisation de la combustion des hydrocarbures et de l'hydrogène est bien établie, la cinétique de l'ammoniac et les interactions entre la turbulence et la chimie en sont encore à leurs débuts. Les travaux en CFD visent à affiner les mécanismes de réaction et les modèles de turbulence afin de représenter plus précisément la combustion de l'ammoniac. L'objectif est de développer des outils CFD fiables, capables de faciliter la conception des brûleurs et de contribuer à la prévision des performances dans le cadre d'applications commerciales.

Figure 1 : Brûleur GLSF à tirage forcé standard FREE JET .

La figure 1 présente le brûleur standard GLSF FREE JET . Le brûleur testé avait été modifié pour fonctionner à l’ammoniac. Toutes les buses à gaz, y compris les buses auxiliaires, utilisaient le même combustible. La veilleuse unique fonctionnait au gaz naturel avec un dégagement de chaleur de 90 000 Btu/h. Le brûleur GLSF FREE JET est conçu pour être simple d’utilisation ; il permet de passer d’un combustible à l’autre (de 100 % d’ammoniac à 100 % d’hydrogène, puis à 100 % de gaz naturel, ainsi que tous les mélanges intermédiaires) tout en conservant une flamme stable. Ces brûleurs sont conçus pour fonctionner pendant 10 à 20 ans tout en offrant la simplicité et la stabilité requises par les utilisateurs.

Installations d'essai : 

Un four d'essai vertical cylindrique (VC) à brûleur unique déjà en service au Centre technologique mondial d'Zeeco

a été sélectionné et modifié pour permettre la combustion à l'ammoniac. Le four, dimensionné de manière appropriée pour le 4e

Le brûleur de MMBtu/h actuellement à l'étude comprend un caisson radiant d'environ 17,33 pieds de haut avec un

distance entre le tube et la paroi de 5,83 pieds. Un brûleur unique est installé au centre de la sole du four, et

La température du foyer est régulée par des tubes refroidis à l'eau situés sur l'un des côtés du VC, reproduisant ainsi le

caractéristiques d'absorption thermique d'un appareil de chauffage cylindrique vertical disponible dans le commerce, équipé de plusieurs brûleurs

disposés à l'intérieur d'un anneau de tubes de traitement. Le tableau 1 fournit des informations complémentaires sur le four d'essai utilisé

dans cet ouvrage.

Tableau 1 : Informations sur le four d'essai

Des systèmes d'alimentation en combustible spécifiques à l'ammoniac, de vaporisation, de tuyauterie et de dosage ont été ajoutés ou modernisés afin de garantir un fonctionnement sûr et fiable. Un examen complet de la sécurité a confirmé que les mesures de protection de l'installation, les procédures d'exploitation et la formation du personnel étaient adéquates pour gérer les risques liés à la manipulation et à la combustion de l'ammoniac. Les protocoles d'exploitation ont pris en compte des éléments tels que la position du personnel, les conditions ambiantes, la vitesse et la direction du vent, ainsi que d'autres facteurs nécessaires pour garantir la sécurité des essais.

La mesure précise des émissions a nécessité une attention particulière. Les analyseurs de NOx traditionnels, basés sur la chimiluminescence, peuvent donner des résultats trompeurs en présence de fuites de NH₃, en raison d’interférences chimiques au sein de l’analyseur. Il était également nécessaire de quantifier les fuites de NH₃ et les émissions de N₂O afin d’atteindre les objectifs du programme en matière de développement des brûleurs. Bien que les mesures de NOx ne prennent généralement en compte que le NO et le NO₂, elles ne tiennent pas compte du N₂O, dont la concentration est habituellement négligeable — souvent inférieure à 5 ppm — dans les systèmes fonctionnant aux hydrocarbures ou à l’hydrogène.

Cependant, l'ammoniac contient une forte proportion d'azote lié au combustible, ce qui peut entraîner une formation accrue de N₂O. Historiquement, le NO et le NO₂ étaient au centre des préoccupations concernant la formation de l'ozone atmosphérique. Or, le N₂O est un gaz à effet de serre, ce qui rend sa mesure et son contrôle essentiels lorsque l'ammoniac est utilisé comme combustible de substitution à faibles émissions de GES.

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) permettant de mesurer le NO,_{le NH₃} et_l'H₂O
• Analyseurs de type chimiluminescent et paramagnétique pour _{les NOx},_{le NO₂},_l'O₂ sec et le CO

Méthodologie CFD

Le processus de modélisation CFD s’est appuyé sur les travaux menés au cours de la première année de ce programme, qui étaient principalement axés sur les brûleurs à tirage naturel¹. Les chaudières semblant constituer la principale opportunité de marché à court terme pour le développement de brûleurs à l’ammoniac, nous nous sommes tournés vers les brûleurs à tirage forcé au cours de la deuxième année. Les brûleurs à tirage forcé utilisent un ventilateur d’air de combustion et nécessitent donc de l’énergie électrique, des conduits, des commandes et des équipements associés. Ils fonctionnent avec une perte de charge plus élevée, généralement comprise entre 1 et 10 pouces d’eau (H₂O) ou plus, mais en contrepartie, ils permettent un meilleur mélange, un meilleur étagement et une meilleure stabilité de la flamme, ce qui favorise une réduction des émissions de NOx par rapport aux brûleurs à tirage naturel. Les brûleurs à tirage forcé sont couramment utilisés dans les chaudières et les équipements de combustion qui nécessitent un dégagement de chaleur élevé, une flexibilité de la puissance de combustion, des émissions très faibles, une plage de réglage plus large et des contrôles air/combustible plus précis.

La méthodologie CFD mise au point dans le cadre de ce projet a été conçue pour répondre aux objectifs suivants :

1. 1.) Utiliser les fonctionnalités de géométrie et de maillage d'un logiciel commercial pour modéliser les géométries réelles des brûleurs et des fours,

2. 2.) Utiliser des mécanismes cinétiques chimiques détaillés, au moins sous forme réduite,

3. 3.) Être capable de modifier rapidement et facilement les modèles cinétiques,

4. 4.) Prévoir plus de deux flux indépendants de combustible et de comburant,

5. 5.) Modéliser les effets du rayonnement thermique des milieux participants,

6. 6.) Être capable de modéliser les effets cinétiques chimiques liés aux modifications apportées au brûleur et au four,

7. 7.) Effectuer une simulation de four d'essai avec un seul brûleur en environ une journée.

Au début de ce projet, il n’existait pas, à l’ Zeeco, de capacité de simulation CFD répondant à ces exigences ; d’ailleurs, d’après une analyse de la littérature disponible, il n’en existait nulle part dans le secteur des brûleurs. Les modèles de combustion couramment utilisés dans l’industrie, tels que ceux basés sur l’équilibre chimique, la fragmentation des tourbillons (EBU) et les flamelets, n’auraient pas pu, sans développements supplémentaires, répondre aux exigences de ce projet. Les codes de recherche universitaires utilisent une chimie sophistiquée ainsi que des modèles de simulation des grandes tourbillons (LES), mais ne sont pas conçus pour reproduire les géométries détaillées des brûleurs et des fours, en particulier avec des conceptions de brûleurs évoluant rapidement. Bien que les modèles LES soient importants pour comprendre les mécanismes à l'origine des caractéristiques de combustion telles que la stabilité de la flamme ou le soufflage, ils sont très gourmands en ressources de calcul et ne permettraient pas d'atteindre la cadence de traitement des cas nécessaire à la validation des modèles et à la fourniture d'informations utiles pour la conception et les essais des brûleurs.

Validation de la méthodologie CFD pour les systèmes de brûleurs à tirage forcé

La figure 2 illustre un exemple d’effets cinétiques qui ne sont pas pris en compte par des modèles plus simples._{La chimie de la réduction} thermique_{du NO (DeNOx)} , également appelée « reburning » de l’ammoniac ou réduction non catalytique sélective (SNCR), est clairement visible : le NO réagit avec_{le NH₃} pour former_{du N₂}. Le volume bleu indique la destruction du NO du côté riche en combustible de la flamme, tandis que le volume jaune indique la production de NO du côté pauvre en combustible. La réduction du NO observée dans la zone bleue est caractéristique de la combustion de l’ammoniac et ne se produit pas lors d’une combustion d’hydrocarbures seuls. Ce_{comportement de déNOx} , pris dans son ensemble, est très sensible aux caractéristiques géométriques du brûleur sous-jacent. Selon les configurations du brûleur, il peut ne pas être aussi marqué.

Figure 2 : Isosurfaces représentant un taux de formation de NO = 0,05^kg/m³·s (jaune) et un taux de destruction de NO = 0,05^kg/m³·s ( bleu).

La figure 3 présente une simulation de la surface d'une flamme visible, approximée par une isosurface de température de 1 300 K, ainsi que le flux radiatif vers les tubes de refroidissement, tel que calculé par la méthode des coordonnées discrètes/somme pondérée des gaz gris (DO/WSGG). La méthode DO/WSGG, un pilier des simulations de combustion industrielle, est entièrement compatible avec la méthodologie actuelle.

Figure 3 : Isosurface à T = 1 300 K et flux thermique radiatif calculé dans le tube.

Si les modèles de brûleurs à un seul brûleur peuvent être évalués expérimentalement, la CFD apporte des informations supplémentaires sur la structure des écoulements, le mélange et les voies de réaction localisées, qui sont difficiles, voire impossibles à mesurer. Au cours de cette deuxième année, la CFD a été utilisée à la fois comme outil de prédiction et de diagnostic pour interpréter les observations expérimentales. Ces travaux établissent une base de référence validée pour de futures applications, notamment des configurations de brûleurs plus complexes, des fours à plusieurs brûleurs et des scénarios de flexibilité accrue en matière de combustibles impliquant l'ammoniac, l'hydrogène et d'autres combustibles.

La figure 4 présente une analyse des voies de réaction au sein d'une cellule CFD unique située à l'intérieur de la zone de réaction. On constate que les voies chimiques complexes menant à la consommation d'ammoniac ainsi qu'à la production et à la destruction du NO sont actives. Cela démontre le niveau de détail cinétique chimique pris en compte dans ces simulations.

Figure 4 : Analyse de la voie cinétique chimique pour une cellule CFD unique dans la zone de réaction.

La figure 5 présente les résultats obtenus pour le brûleur Rev 18. Les deux modèles utilisent le mécanisme réduit basé sur le^mécanisme détaillé CRECK². Ce mécanisme réduit a été développé à partir du modèle à 50 espèces utilisé lors des travaux de la première année afin d’améliorer la prédiction des principaux polluants, à savoir_{le NO₂} et_{le N₂O}. Le modèle CFD fournit de bonnes prédictions pour le NO et permet de prédire de manière raisonnable l’apparition du NH₃ à mesure que la fraction d’ammoniac dans le combustible augmente dans une configuration à tirage forcé, comme le montre la figure 5. Les prévisions concernant_{le N₂O}et_{le NO₂} sont élevées pour le modèle CFD, mais les tendances sont très bien prédites.

Figure 5 : Comparaison entre les résultats de la simulation CFD et les mesures FTIR dans un brûleur à tirage forcé alimenté par un mélange d'ammoniac et de gaz naturel.

Les résultats de cette validation par CFD ont démontré que la CFD est capable de modéliser à la fois les interactions entre la turbulence et la cinétique chimique avec une précision suffisante pour être utilisée comme outil de prévision permettant d'orienter le développement des brûleurs.

Une fois le développement et la validation de la méthodologie CFD pour la modélisation des brûleurs à tirage naturel et à tirage forcé achevés, des études CFD ont été menées afin d’explorer les avantages potentiels en termes d’émissions et de stabilité de la flamme résultant d’une gamme de conditions de fonctionnement et de modifications de la géométrie des brûleurs. Sur la base du potentiel de réduction des émissions et du glissement mis en évidence par les simulations CFD, plusieurs modifications des brûleurs et optimisations des conditions de fonctionnement, notamment l’augmentation de la température du préchauffage de l’air (APH), ont été testées. Une sélection de résultats est présentée dans la section suivante.

RÉSULTATS DES ESSAIS DES BRÛLEURS

Le tableau 2 présente un résumé des mesures d'émissions recueillies tout au long du programme de développement du brûleur. Pour chaque version testée, les principaux paramètres de fonctionnement — notamment le débit thermique,la température de l'air de combustion et le pourcentage maximal d'ammoniac brûlé—sont indiqués aux côtés des données brutes d'émissions concernant les fuites deNH₃, les NO etle N₂O. Toutes les concentrations figurant dans le tableau 2 ont été mesurées à l'aide d'un spectromètre FTIR. 

Tableau 2 : Résumé des mesures d'émissions.

Étant donné que la combustion à l'ammoniac pose des défis de mesure particuliers, les valeurs de fuite de NH₃ correspondent à la concentration maximale d'ammoniac pouvant être atteinte tout en maintenant la fuite en dessous de 50 ppmv. Les valeurs de NO et de N₂O sont exprimées en concentrations brutes et sèches. L'ensemble de données couvre un large éventail de conditions de fonctionnement, y compris des variations du dégagement de chaleur (3,4 à 5,0 MMBtu/h) et de la combustion‑(70à880°F) et le pourcentage de combustion d’ammoniac (60–95 %), ce qui permet d’évaluer les performances du brûleur sur l’ensemble de la plage de fonctionnement prévue.

Meilleurs résultats aux tests

La figure 6 présente les mesures d'émissions du brûleur Rev 25B, qui a donné les meilleurs résultats. 

Figure 6 : Mesures des émissions pour la version 25B, qui a donné les meilleurs résultats.

Résultats et discussion

Une série de mesures FTIR a été réalisée à un débit de chaleur constant de 3,40 MMBtu/h, en faisant varier la composition du combustible de 100 % d’hydrogène à 100 % d’ammoniac. L’objectif de cette séquence d’essais était de caractériser l’influence d’augmentations progressives de la teneur en ammoniac sur le comportement des émissions — en particulier les fuites de NH₃, ainsi que la formation de NO et de N₂O — dans des conditions de fonctionnement par ailleurs fixes. Les résultats montrent des tendances claires et systématiques qui reflètent la chimie de combustion sous-jacente des mélanges hydrogène-ammoniac.

Fuite d'ammoniac

Le glissement de NH₃ est resté négligeable pour tous les mélanges jusqu’à ce que l’ammoniac devienne le composant dominant du carburant. Pour les mélanges contenant jusqu’à 95 % de NH₃, les valeurs de fuite étaient extrêmement faibles (0 à 9 ppm), ce qui indique une combustion efficace et un mélange homogène dans ces conditions. Cependant, à 100 % d’ammoniac, la fuite a fortement augmenté pour atteindre 1 207 ppm, ce qui démontre la difficulté d’obtenir une conversion complète en l’absence d’hydrogène pour améliorer la vitesse de la flamme et la cinétique de réaction. Ce comportement souligne le rôle stabilisateur de l’ajout d’hydrogène dans la combustion de l’ammoniac. Le niveau maximal d’émissions_{de NH₃} était de 9 ppmv, avec un écart_{de NH₃} inférieur à 50 ppmv pour un mélange de carburant d’essai composé de 95 %_{de NH₃} et de 5 %_d’H₂. Des essais avec des mélanges à 96 %_{de NH₃} et 4 %_d’H₂, 97 %_{de NH₃} et 3 %_d’H₂, et 98 %_{de NH₃} et 2 %_d’H₂ auraient permis d’établir une courbe permettant de déterminer la concentration à laquelle le NH₃ dépassait effectivement le seuil de 50 ppmv.

ZÉRO émission

Les émissions de NO ont montré une forte dépendance vis-à-vis de la concentration en ammoniac. Avec 100 % d’hydrogène, le NO a été mesuré à 107 ppm, ce qui correspond à une combustion thermique typique-dans une flamme d’hydrogène. À mesure que la teneur en ammoniac augmentait, le NO augmentait de manière significative, atteignant un pic de 644 ppm pour le mélange à 60 % de NH₃ . Cette augmentation correspond à l’introduction de carburant‑, qui s’oxyde facilement en NO à haute‑températures élevées.

Il est intéressant de noter que les concentrations de NO ont diminué à des fractions d’ammoniac plus élevées, tombant à 197 ppm à 90 % de NH₃ et à 96 ppm à 100 % de NH₃. Cette baisse suggère que, lorsque l’ammoniac devient le combustible dominant, la baisse de la température de la flamme et le ralentissement de la cinétique freinent la formation de NO malgré la forte teneur en azote. Il en résulte un non-: elle augmente avec la concentration initiale de NH₃ , puis en baisse à mesure que la flamme passe à l’ammoniac‑.

La meilleure valeur d'émissions de NO (143 ppmv), pour laquelle le taux de fuite_d'NH₃ était inférieur à 50 ppmv, a été obtenue avec un mélange composé de 95 %_d'NH₃ et de 5 %_d'H₂.

Formation du N₂O

Les émissions de N₂O sont restées proches de zéro pour les mélanges contenant jusqu’à 60 % de NH₃, ce qui correspond à la décomposition rapide du N₂O aux températures élevées de la flamme. À mesure que la concentration en ammoniac augmentait, les émissions de N₂O ont commencé à croître, atteignant 10 à 18 ppm pour les mélanges contenant 90 à 95 % de NH₃ et 38 ppm à 100 % de NH₃. Cette tendance reflète le passage à une combustion plus froide et plus lente–réaction plus lente, où l’azote intermédiaire‑tels que le N₂O, sont plus stables. Le niveau le plus élevé de N₂O s’élevait à 18 ppmv, avec un écart_{de NH₃} inférieur à 50 ppmv, composé à 95 %_{de NH₃} et à 5 %_{de H₂}.

Le comportement combiné du NO et du N₂O illustre le compromis classique lié à la combustion de l'ammoniac :

• Plus chaud, hydrogène‑flames riches en hydrogène → taux élevé de NO, taux négligeable de N₂O

• Refroidisseur à l'ammoniac‑flammes riches en ammoniac → moins de NO, plus de N₂O

Interprétation générale

Le carburant‑illustre l’interaction complexe entre la température de la flamme, la cinétique de réaction et l’azote‑dans l’hydrogène–ammoniac :

• Hydrogène‑produisent des températures de flamme élevées, ce qui entraîne des émissions élevées de NO, mais négligeables de N₂O, et une combustion complète de l’ammoniac.

• Les mélanges intermédiaires (40 à 60 % de NH₃) présentent les émissions de NO les plus élevées, dues à la fois aux facteurs thermiques et au carburant–liés au combustible.

• Ammoniac‑réduisent la formation de NO mais augmentent les concentrations de N₂O et de NH₃ en raison de températures de flamme plus basses et d’une cinétique plus lente.

• Pl'uL’ammoniac représente le plus grand défi, avec un glissement important et des concentrations élevées de N₂O malgré une teneur en N relativement faibleO.

Ces résultats soulignent l'importance du carburant‑mélange de combustibles, de la conception des brûleurs et de la température‑pour équilibrer les émissions de NO, de N₂O et NH₃ lors de la transition de l’hydrogène-vers l’ammoniac‑.

Figure 7 : Chaudière « FREE JET » d'une puissance de 3,4 MM Btu/h, avec un APH à 885 °F fonctionnant à 100 % à l'ammoniac.

Figure 8 : Chaudière « FREE JET » d'une puissance de 3,4 MM Btu/h, avec une température de sortie des fumées (APH) de 885 °F, fonctionnant avec un mélange composé à 95 % d'ammoniac et à 5 % d'hydrogène.

Effets du préchauffage de l'air

La figure 9 illustre les plages d'émissions en fonction de différentes températures de l'APH avec les versions 25A et 25B :

Figure 9 : Plages d'émissions en fonction de différentes températures de l'APH avec les versions 25A et 25B.

Résultats et discussion

Les essais d'émissions ont été réalisés à un débit thermique constant de 3,4 MMBtu/h avec un mélange de 90 % d'ammoniac et 10 % d'hydrogène, tout en faisant varier la température de l'APH entre environ 500°F à 885°F. Les mesures FTIR recueillies au cours des révisions 25A et 25B révèlent des relations claires et cohérentes entre la température de l’APH et la formation de NH₃ , de NO et de N₂O.

Comportement de glissement de l'ammoniac

Le glissement de NH₃ présentait une forte dépendance inverse par rapport à la température de l'APH. À la température la plus basse testée (508 °F), le glissement de NH₃ était extrêmement élevé (plus de 7 000 ppm), ce qui indique une conversion incomplète du combustible dans des conditions de combustion plus froides. À mesure que la température de l'APH augmentait, le glissement diminuait fortement, tombant à 23 ppm à 784 °F et atteignant 1 ppm à 885 °F. Cette tendance reflète l'amélioration de la cinétique de réaction et une meilleure combustion de l'ammoniac n'ayant pas réagi à des températures élevées. Les résultats démontrent que le maintien d'une température de combustion suffisamment élevée‑est essentielle pour minimiser les fuites d’ammoniac à des‑NH₃ .

ZÉRO émission

Les émissions de NO ont augmenté de manière constante à mesure que la température de l'APH augmentait, ce qui correspond à la température‑conversion du carburant‑lié au combustible. À 508°F, la concentration en NO a été mesurée à 34 ppm, puis est passée à 99 ppm à 784°F, puis a atteint 197 ppm à 885°F. Cette augmentation monotone indique que plus la teneur en air-favorisent une oxydation plus complète de l’ammoniac‑dérivées de l’ammoniac, ce qui entraîne une formation accrue de NO. Cette tendance correspond aux connaissances établies concernant l’ammoniac‑, où les facteurs thermiques et liés au combustible‑s'intensifient avec la température.

Formation du N₂O

Les émissions de N₂O ont atteint le pic prévu‑et‑baisse caractéristiques de la combustion de l’ammoniac. À la température APH la plus basse (508°F), le N₂O était relativement élevé (96 ppm), ce qui reflète la formation de composés azotés intermédiaires-dans des conditions plus froides. À mesure que la température augmentait, la concentration en N₂O ont considérablement diminué, tombant à 32 ppm à 784°F et à 10 ppm à 885°F. Ce comportement est compatible avec la décomposition thermique du N₂O à des températures plus élevées, où les voies de réaction s'orientent vers la formation de NO.

Émissions de NO₂

Les concentrations en NO₂ sont restées proches de zéro sur tous les points de mesure, ce qui indique que la quasi-totalité de l'azote oxydé se présentait sous forme de NO ou de N₂O. Ce phénomène est caractéristique des concentrations élevées–températures élevées et la combustion de carburantenen combustible et à haute température, où le NO₂ est cinétiquement inhibée.

Tendances générales en matière de performances

Les résultats combinés mettent en évidence les effets contradictoires de la température sur la combustion de l'ammoniac :

• Une température APH faible entraîne un glissement élevé de NH₃, un faible taux de NO et un taux élevé de N₂O.

• Lestempératures intermédiaires réduisent le glissement et le N₂O tout en augmentant le NO.

• HLesLes températures élevées réduisent au minimum le glissement et les émissions de N₂O, mais génèrent les niveaux de NO les plus élevés.

Des températures APH plus élevées entraînent :

• Formation accrue de NO.

• NH réduit₃ .

• RN₂O.

Ces résultats soulignent l'importance d'optimiser la conception des brûleurs et leurs conditions de fonctionnement afin de trouver un équilibre entre la combustion complète de l'ammoniac, la formation de NO et la réduction des émissions de N₂O. Ces données constituent une base solide pour affiner davantage les stratégies, les concepts de combustion par étapes et la température‑afin de répondre aux objectifs du programme’.

CONCLUSION

Le programme de développement et d’essais a démontré que l’ammoniac peut être utilisé avec succès comme combustible permettant de réduire les émissions de CO₂ dans les applications de chauffage industriel lorsqu’il est associé à un brûleur spécialement conçu pour ses caractéristiques de combustion uniques. Grâce à des améliorations itératives de la conception, à des essais approfondis et aux progrès réalisés en matière de modélisation CFD, le brûleur GLSF FREE JET modifié a permis d’obtenir un fonctionnement stable sur une large gamme de mélanges ammoniac-hydrogène et de conditions de préchauffage de l’air. Les résultats des essais montrent qu’avec une conception de brûleur et une gestion de la température appropriées, les paramètres de performance cibles du programme peuvent être atteints en matière de fuite de NH₃ et d’émissions _{de NOx} et de N₂O dans des conditions optimisées.

Les travaux combinant expérimentation et modélisation confirment que les essais physiques et la CFD constituent des outils indispensables pour prédire les performances de combustion de l'ammoniac. L'amélioration continue de la géométrie des brûleurs, de l'étagement du combustible et des stratégies d'exploitation peut contribuer à faciliter la transition d'un prototype vers un brûleur à l'ammoniac prêt à être commercialisé, ouvrant ainsi la voie à des réductions significatives des émissions industrielles de CO₂.

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