CFGL 2011 Strasbourg 22, 23 et 24 novembre 2011 1 Modélisation et dimensionnement dun étage haute température de dégradation des goudrons assistée par

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22, 23 et 24 novembre

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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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1- Description globale

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Fonctionnement TURBOPLASMA®

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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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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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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®


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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.



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2- Modification du schéma

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Ajout d’une phase discrète (Carbone solide)

+ Caractérisation physique des particules solides (granulométrie, porosité)

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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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Différentes étapes d’une simulation FLUENT

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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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+ 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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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 …



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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

Documents

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