Combustion en milieu poreux

Combustion en milieu poreux 

L’étude de la combustion en milieu poreux est un sujet d’intérêt depuis plus de 30 ans et les nombreux aspects qu’elle présente sont autant d’avantages qui ont été soulignés dès les premières études menées. Plusieurs revues synthétisent et actualisent les avancées de ce champ de recherche (Abdul Mujeebu et al., 2010; Howell et al., 1996; Mujeebu, Abdullah, Bakar, Mohamad, & Abdullah, 2009; Trimis & Durst, 1996; Viskanta, 2011; Wood & Harris, 2008). Fondamentalement cette technique consiste à brûler un mélange réactif au sein d’un milieu poreux solide et conducteur de chaleur, plutôt que librement comme dans un brûleur conventionnel. Les différentes caractéristiques qui décrivent une flamme libre peuvent ainsi être réinterprétées dans le cadre d’une flamme se propageant dans un milieu poreux. Les sections qui suivent s’attachent à montrer l’influence du milieu poreux sur ces caractéristiques.

Champs d’application de la combustion en milieu poreux 

Les applications de la CMP sont majoritairement à usage industriel bien que cette technologie commence à se faire une place dans des appareils ménagers du quotidien (gazinière, four, barbecue). Parmi les utilisations industrielles les plus rencontrées, se trouvent (Mujeebu et al., 2009; Viskanta, 2011) :

• les échangeurs de chaleur : ce sont les chaudières industrielles pour le chauffage de fluides ou bien pour porter à ébullition de l’eau dans le processus de génération de vapeur.

• l’éclairage : en plus de fournir de la chaleur, les brûleurs poreux peuvent émettre un rayonnement important mais à faible éblouissement. Les brûleurs poreux constituent ainsi un dispositif intégré de chauffage – éclairage à faibles émissions de polluants.

• moteurs et propulsion : des prototypes de moteurs à combustion interne intégrant un brûleur poreux ont été testés. La matrice poreuse permet un stockage de l’énergie thermique produite dans le cycle de combustion. Cette chaleur permet alors de favoriser l’évaporation des gouttelettes du jet de carburant et d’augmenter l’enthalpie de la combustion du cycle suivant. Des études de faisabilité en vue d’une intégration de ces brûleurs dans des turbines à gaz sont également en cours (Ihme, 2016).

• synthèse de l’acide chlorhydrique : le dichlore gazeux peut réagir avec de l’hydrogène par chauffage dans un brûleur pour donner de l’acide chlorhydrique. Un excès d’hydrogène est toujours présent pour s’assurer de la transformation complète du chlore. Un mélange résiduel chlore – hydrogène n’ayant pas réagi serait en effet explosif. La combustion en milieu poreux permet de réduire la quantité d’hydrogène en excès.

• production d’hydrogène : l’hydrogène produit dans le monde provient de sources fossiles. Sur les 60Mtonnes produites chaque année, 49% sont issues de la conversion du méthane (AFHYPAC, 2016). L’oxydation partielle du méthane avec chauffage dans un brûleur poreux apporte des taux de conversion jusqu’à 60%.

Dépendamment de l’application et du but recherché, la matrice solide peut avoir un effet de catalyseur sur la combustion. Sinon elle est qualifiée d’inerte. Aussi, quatre types de combustion peuvent être rencontrés dans le cadre de la CMP (Viskanta, 2011) : (i) une combustion libre avec une flamme formée au-dessus du milieu poreux; (ii) une combustion de surface où la flamme est ancrée à la surface de la matrice; (iii) une combustion « intégrée » avec une flamme enfouie au sein de la matrice poreuse; (iv) une combustion instable.

Quelques grandeurs et notions d’échelles 

Un milieu poreux se compose d’obstacles solides imperméables et d’interstices vides. Ces vides sont désignés par le nom de pores. La nature, la géométrie et le matériau des milieux utilisés sont très variés suivant l’application qui en est faite. Ils peuvent être constitués d’un assemblage d’éléments discrets (perles solides, agrégat de particules) ou consolidés (mousses de type éponge, structures réticulées, nid d’abeille ou encore en lamelles). L’arrangement peut être aléatoire ou structuré. Une grande variété de matériaux est également utilisée; pour la combustion ce sont des céramiques techniques (zircone partiellement stabilisée (PSZ), oxyde d’aluminium (Al2O3), carbure de silicium (SiSiC)) ou des alliages métalliques à hautes performances thermiques (alliage fer-chrome FeCrAlY) (Wood & Harris, 2008).

Profils de température dans un brûleur poreux 

Dans un brûleur poreux, deux profils de température doivent être considérés simultanément : le profil de la phase gazeuse ainsi que celui de la matrice solide. Un découpage de ces profils peut se faire de manière similaire à la flamme laminaire libre selon le critère suivant (Barra & Ellzey, 2004; Wood & Harris, 2008) : le début de la zone de réaction correspond à la position à laquelle la température du fluide est égale à celle de la matrice solide, c’est-à-dire où les profils de température se croisent. Le pic d’énergie chimique libérée est contenu dans cette zone. En amont de cette région se trouve la zone de préchauffage dont le début est indiqué par la position à laquelle la température du mélange réactif est 1% plus élevée que sa température initiale d’entrée.