Étude numérique de la production de gaz de synthèse par combustion riche du méthane dans un brûleur poreux

Résumé

Les syngas sont des produits valorisables utilisés en chimie industrielle pour produire des biocarburants ou du méthanol. La combustion d’un mélange air-carburant à forte richesse dans un milieu poreux permet la production de gaz de synthèse. L’objectif de ce mémoire est de modéliser numériquement la production de syngas dans un brûleur poreux, basé sur la maille de diamant, par combustion riche du méthane. La géométrie de la matrice poreuse est inspirée du travail de Samoilenko et al., 2019 pour obtenir des matrices poreuses régulières avec des structures en maille de diamant (obtenable par impression 3D) avec les mêmes propriétés (perméabilité et porosité) que des mousses industrielles. Les différents paramètres étudiés sont la porosité et la densité de pores. La nouveauté est l’introduction d’un brûleur à géométrie étagée. La simulation direct 3D à l’échelle des pores est utilisée en raison de la complexité géométrique de la matrice poreuse. La combustion d’un mélange air-méthane d’une richesse de 2 est modélisée, l’écoulement étant laminaire. Le débit est ajusté pour stabiliser la flamme et étudier les syngas produits. Le modèle numérique et la résolution sont réalisés sur le logiciel StarCCM+. Les syngas obtenus ont un ratio H2/CO proche de 1 dans tous les cas étudiés, mais les quantités de syngas produites sont différentes. L’efficacité de conversion varie de 41 % pour le cas de référence à 43% lorsque la densité de pores augmente. Elle monte à 59% lorsque la porosité diminue (divisé par 2) et atteint même 63% pour la géométrie étagée. L’étude des précurseurs de suie montre également une diminution de 10% pour ce dernier cas. Indépendamment des cas, l’augmentation du préchauffage se traduit par une augmentation de la production de syngas. Également, la réaction à lieu dans une cellule de la structure dans tous les cas. La conversion en syngas est donc favorisée par la recirculation de la chaleur dans le matériau solide (ici SiSiC). On peut donc influencer cette conversion en jouant sur les paramètres suivants : augmenter la densité de pores ou diminuer la porosité pour maximiser la surface d’échange ou bien avoir une géométrie variable avec des pores denses dans la zone de préchauffage et plus d’espace dans la zone de réaction. La géométrie variable représente une alternative pour améliorer les rendements de conversion sans recourir à un catalyseur tout en étant facilement réalisable par impression 3D.

Date	21 sept. 2022
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Patrice Seers (Directeur(-trice)) & Romain Lemaire (Codirecteur(-trice))