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Modélisation et dimensionnement d’un étage haute température de dégradation des goudrons assistée par torche plasma
Romain DEMARTHONDoctorant ANRLaboratoire de Thermique Energétique et ProcédésUniversité de Pau et des Pays de l Adour
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Plan de la présentation
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I – Procédé TURBOPLASMA
II – Simulation CFD – FLUENT®
III – Perspectives
IV – Remerciements
1- Description globale2- Quelques caractéristiques
3- Modèle CFD du TBPL 300kW
1- Schéma réactionnel
2- Modifications du schéma
3- Objectifs
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I - Procédé TURBOPLASMA®
1- Description globale
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TURBOPLASMA®
Réacteur de craquage thermique des goudrons par assistance plasma
Process CHO-Power
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I - Procédé TURBOPLASMA®
1- Description globale
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Fonctionnement TURBOPLASMA®
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I - Procédé TURBOPLASMA®
2- Quelques caractéristiques
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Torche plasma Torche à arc non-transféré P=300kW Température dard plasma ≈ 4000K Enthalpie moyenne 5-8 MJ/kg
Gaz à traiter Gaz provenant d’un gazéifieur lit fluidisé Température ≈ 900K Présence de goudrons Particules solides en suspension
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I - Procédé TURBOPLASMA®
3- Objectifs
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Objectif du dimensionnement: Optimiser la géométrie du réacteur
- des grandeurs physiques géométriques- des matériaux utilisés (propriétés)- des conditions opératoires nominales
DIMMENSIONNEMENT :
Performances jugées en fonction de l’abattement des goudrons initialement présents dans le gaz
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I - Procédé TURBOPLASMA®
3- Objectifs
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Objectif de la modélisation : Valider le modèle cinétique amélioré
- Ajouts de nouvelles espèces chimiques- Ajout phase discrète- Changement de modèles numériques
MODELISATION :
Comparatif entre résultats CFD et résultats expérimentaux
Courant 2012 …
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II - Simulation CFD - FLUENT®
1- Schéma réactionnel
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Modélisation de dégradation des goudrons présents:
3 espèces modèles = Classe 2 - Benzène Classe 3 - Toluène Classe 4 - Naphtalène
Chaque classe de goudrons est représentée par une substance chimique représentative du comportement physico-physique de l’ensemble de chaque classe.
Autres substances prises en compte : H2,CO, CO2, CH4, H2O, Suie...
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Utilisation d’un schéma réactionnel existant
A. Fourcault, « Modélisation d’un étage haute température alimenté par une torche à plasma pour la dégradation des goudrons présents dans les gaz de synthèse », Thèse de l’Université de Pau et des Pays de l’Adour, 2010.
II - Simulation CFD - FLUENT®
1- Schéma réactionnel
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II - Simulation CFD - FLUENT®
2- Modification du schéma
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Ajout d’une phase discrète (Carbone solide)
+ Caractérisation physique des particules solides (granulométrie, porosité)
22
2
22
3
2
1
)(
2)(
)1(2)12()(
HCOOHsC
COCOsC
COCOOsC
k
k
k
Modélisation de 3 réactions hétérogènes
Limite du modèle si Phase Continue seule
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II - Simulation CFD - FLUENT®
3- Modèle CFD du TBPL 300kW
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Différentes étapes d’une simulation FLUENT
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II - Simulation CFD - FLUENT®
3- Modèle CFD du TBPL 300kW
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Outils de pré-dimensionnement
Module TORCH permet d’obtenir l’ensemble des grandeurs nécessaires pour modéliser la torche plasma
Module CINE permet prédire la composition du gaz ainsi que ses propriétés physico-chimiques en sortie du réacteur (constantes équilibres). Le réacteur est considéré comme un réacteur batch parfaitement agité et adiabatique.
… Définir le volume adéquate du réacteur
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II - Simulation CFD - FLUENT®
3- Modèle CFD du TBPL 300kW
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+ Etudes de sensibilité sur les différents types de maillage possibles.
Découpage du réacteur en plusieurs zonespour faciliter le maillage des zones à fort gradient
(Compromis entre temps / précision du calcul)
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II - Simulation CFD - FLUENT®
3- Modèle CFD du TBPL 300kW
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Modélisation numérique :• de l’écoulement du mélange gazeux• des échanges thermiques internes / externes• des zones réactionnelles• de l’abattement global des goudrons
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Trajectoires de particule Comportement du carbone solide dans TBPL Influence d’un REDLER (captage des particules)
Prédiction affinée du comportement réel du TBPL 300 kW
Obtention de nouvelles données …
II - Simulation CFD - FLUENT®
3- Modèle CFD du TBPL 300kW
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III - Perspectives
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• Ajout de nouvelles espèces et donc de réactions homogènes
(Acétylène, Ethylène, Ethane, Phénols, HPAs)
- La production de suies via des précurseurs (naphtalène)
- La polymérisation d’aromatiques simples en HPA (Pyrène, Phénanthrène)
- L’oxydation de aromatiques
La modélisation prendra donc en compte :
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III - Perspectives
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• Autres évolutions potentielles : Couplage CHEMKIN avec le modèle réactionnel Insérer des nouvelles espèces intermédiaires
Seule la comparaison des résultats des simulations CFD aux résultats expérimentaux permettra une validation définitive du nouveau modèle réactionnel quant à la dégradation thermique des goudrons.
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IV - Remerciements
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Ce travail a été effectué dans le cadre du “Programme National de Recherche sur les BioEnergies” de l’Agence Nationale de la Recherche (ANR 2009 BioE 004 02 “TURBOPLASMA”).
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IV - Remerciements
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Merci de votre attention