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Contribution à la combustion des émulsions de l'eau dans le fioul lourd
Les fiouls lourds, les huiles usagées ou les graisses animales constituent des combustibles denses et visqueux qu'il est possible de valoriser. Brûler ces combustibles en émulsion avec l'eau diminue la longueur de flamme et surtout la formation de résidus carbonés solides (particules) par rapport au combustible pur. Car le phénomène de micro explosion, qui consiste en la vaporisation rapide (<0.1 ms.) des gouttelettes d'eau internes, disloque la gouttelette d'émulsion en plusieurs gouttelettes plus petites. Dans un premier temps, un modèle instationnaire de la gouttelette d'émulsion permet, grâce à un critère approprié (vaporisation des gouttelettes d'eau internes en état liquide métastable) d'établir une prédiction numérique de son délai de micro explosion. Cette prédiction est confrontée à des mesures expérimentales issues de la littérature, avec différents paramètres de combustion et différentes formulations de l'émulsion (soit 27 situations différentes). Puis ce modèle de gouttelette individuelle est incorporé à un modèle de combustion en spray, prenant en compte le phénomène de micro explosion : les résultats permettent de comparer la flamme obtenue (~150 kW) avec et sans émulsification du combustible. Cette comparaison des champs de température et des longueurs de flamme confirme qualitativement les tendances observées dans des études expérimentales de la littérature. Enfin, une campagne expérimentale sur une chaudière industrielle de puissance modeste (~200 kW) permet de mesurer une baisse reproductible (entre 30 et 35%) des émissions de particules en utilisant une émulsion de l'eau dans le fioul lourd, par rapport au fioul lourd pur. La mesure de la granulométrie des particules émises permet de fournir un indicateur de micro explosion.

2008-03-05
Mécanique des fluides et énergétique
Mines ParisTech
Fuel lourd – Combustion – Émulsion – Phase gazeuse – Nucléation – Granulométrie
A contribution to combustion of water-in-fuel emulsified heavy fuel-oil
Heavy Fuel-oil, used engine oil or animal fat are dense, viscous combustibles that can be used within boilers. To burn these combustibles as a water-in-oil emulsion is known to decrease both the flame length and the carbonaceous residue, in comparison with raw combustible. Indeed, the microexplosion phenomenon, which means the rapid (<0.1 ms.) vaporization of inside water droplets, breaks the emulsion droplet into many smaller droplets. The first step of this work is to demonstrate an unsteady modelisation of the emulsion droplet enabling, thanks to an adequate criterion (vaporization of the liquid-metastable water droplets) to establish a numerical prediction of its microexplosion delay. This prediction is faced with experimental measurements available in the literature, along with different combustion parameters and emulsification variables, totalizing 27 different situations. Secondly, this model of individual emulsion droplet is included in a spray combustion model, taking into account the microexplosion phénomenon : The results enable a comparison between the flames (~150 kW) obtained with raw and emulsified combustible. This comparison of flame lengths and temperature fields is in qualitative accordance with trends described in experimental works from the literature. Finally, an experimental campaign on an industrial middle-scale (~200 kW) boiler enables to record a reproducible decrease (from 30 to 35%) in carbonaceous residue using a water-in-oil emulsified heavy fuel-oil, in comparison with pure heavy fuel-oil. The measured distribution of cenosphere diameters at the exhaust of the boiler gives an indication for microexplosion.
Heavy fuel-oil – Combustion – Emulsions – Gas phase – Nucleation – Grain size analysis
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