GDR incendie, 30 Juin et 1 Juillet 2011 Etude de la combustion des gaz de dégradation et des polluants atmosphériques dans le cadre des feux de forêt Yolanda Pérez, Paul-Antoine Santoni, Valérie Leroy-Cancellieri, Eric Leoni UMR CNRS SPE 6134 IDEA Università di Corsica
2 Plan Introduction Influence des gaz de dégradation sur les polluants Schéma réactionnel global Conclusions
3 Introduction Contexte Projet ANR IDEA Incendies de forêts : simulation de la dynamique et des émissions atmosphériques par couplage de code Objectifs Etudier l influence de la composition d un mélange simplifié pour les gaz de dégradation sur l émission des polluants Modéliser la cinétique chimique à partir d un modèle global
4 Végétation Composition élémentaire CHON Dégradation thermique Gaz de dégradation CH 4 CO H 2 O H 2 etc. CO 2 C 2 H 4 NH 3 C 2 H 6 Emissions gazeux Oxydation CO 2 CO H 2 O NO NO2 C 6 H 6 CHO
5 Végétation Composition élémentaire CHON Gaz de dégradation Mélange simplifié CO 2 CH 4 CO + NH 3 Dégradation thermique CH 4 CO H 2 O H 2 etc. CO 2 C 2 H 4 NH 3 C 2 H 6 Oxydation Emissions gazeux Oxydation CO 2 CO H 2 O NO NO2 C 6 H 6 CHO
6 Influence des gaz de dégradation sur les polluants L outil utilisé pour l étude cinétique est le code PSR de Chemkin qui permet l étude de la combustion de la phase gazeuse Mécanisme détaillé: GDF-kin 3.0 Le mélange initial de gaz de dégradation choisi : Espèce % Fraction molaire CO 30.5 CO 2 51.1 CH 4 18.4 Energie de combustion de ce mélange: 9.000 kj/kg La combustion de ce mélange a déjà été étudiée expérimentalement en réacteur parfaitement agité (Leroy, 2007)
7 Influence des gaz de dégradation sur les polluants Conditions caractéristiques de la combustion du mélange gazeux rencontrée lors d un feux de forêt o Température: 773 à 1273 K o Richesse: 0,6-1 - 1,4 Ces mêmes conditions ont été utilisées pour les expérimentations en réacteur parfaitement agité Le mélange est dilué 9 fois pour éviter les gradients de température au sein du réacteur
8 Influence des gaz de dégradation sur les polluants Effet de l azote sur la formation des polluants Le processus de formation des oxydes d azote fait intervenir 3 mécanismes principaux nommés: o o o NO précoce NO thermique NO du combustible Selon la littérature et nos conditions le mécanisme prépondérant est le NO du combustible La fraction volatile émise comprends principalement HCN et NH 3
9 Influence des gaz de dégradation sur les polluants Effet de l azote sur la formation des polluants La littérature révèle que la formation de NO est peu influencée par la nature de l espèce introduite (HCN ou NH 3 ) mais est fortement dépendante des conditions locales de combustion (température, richesse et pourcentage d azote) NH 3 a été sélectionné comme le composé émis lors de la dégradation o o Pas d introduction de carbone supplémentaire Possibilité de réaliser des expériences D après les résultats fournis par l analyse élémentaire nous avons choisi d introduire 0,23% de NH 3 dans le mélange initial
Fraction molaire 10 Influence des gaz de dégradation sur les polluants Effet de l azote sur la formation des polluants Effet sur certaines espèces polluantes 3,50E-04 3,00E-04 2,50E-04 2,00E-04 Xi Xi (avec NH3) 1,50E-04 1,00E-04 5,00E-05 C2H4 C2H6 CH2O
Fraction molaire NO (+NH3) Fraction molaire NO 11 Influence des gaz de dégradation sur les polluants Effet de l azote sur la formation des polluants Effet sur la production du NO 5,00E-05 4,50E-05 NO 5,00E-07 4,50E-07 4,00E-05 3,50E-05 NO (+NH3) NO 4,00E-07 3,50E-07 3,00E-05 2,50E-05 2,00E-05 1,50E-05 1,00E-05 5,00E-06 3,00E-07 2,50E-07 2,00E-07 1,50E-07 1,00E-07 5,00E-08 773 873 973 1 073 1 173 1 273 1 373
12 Schéma réactionnel global Il est par ailleurs important de disposer de modèles globaux de cinétique pour ces mélanges de dégradation Mécanisme de Revel et al. (1994) CH 3 O CH 4 CH 3 CH 2 O HCO CO CO 2 C 2 H 6 C 2 H 5 C 2 H 4 C 2 H 3 C 2 H 2 HCCO
13 Schéma réactionnel global Mécanisme de Revel et al. (1994) o Développé pour reproduire le retard a l allumage o T initial 900 K, mélange CH 4 /air, richesse 0.5 2.0 (1) 2CH 4 2CH 3 + H 2 (2) 2CH 3 + O 2 2CH 2 O + H 2 (3) 2CH 2 O + O 2 2CO + 2H 2 O (4) 2H 2 + O 2 = 2H 2 O (5) 2CO + O 2 = 2CO 2 (6) N 2 + O 2 = 2NO
14 Schéma réactionnel global Mécanisme de Revel et al. (1994) o Développé pour reproduire le retard a l allumage o T initial 900 K, mélange CH 4 /air, richesse 0.5 2.0 (1) 2CH 4 2CH 3 + H 2 (2) 2CH 3 + O 2 2CH 2 O + H 2 (3) 2CH 2 O + O 2 2CO + 2H 2 O (4) 2H 2 + O 2 = 2H 2 O Partie CH 4 /CO Test et Calage du modèle en fonction des concentrations de CH 4, CO, CO 2 et O 2 obtenues expérimentalement (5) 2CO + O 2 = 2CO 2 (6) N 2 + O 2 = 2NO
Fraction molaire Fraction molaire Partie CH 4 /CO Fraction molaire Fraction molaire 15 0,025 Richesse = 0.6 CH4 0,12 O2 0,02 CH4 Exp 0,1 O2 Exp 0,015 CH4 MG CH4 GDF 0,08 O2 MG O2 GDF 0,06 0,01 0,04 0,005 0,02 0 0 0,14 0,12 0,1 CO2 0,04 0,035 0,03 CO CO Exp CO MG 0,08 0,06 0,04 0,02 CO2 Exp CO2 MG CO2 GDF 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 CO GDF 0 0
Fraction molaire Fraction molaire Partie CH 4 /CO Fraction molaire Fraction molaire 16 Richesse = 1.0 0,025 CH4 0,07 O2 0,02 0,015 CH4 Exp CH4 MG CH4 GDF 0,06 0,05 0,04 O2 Exp O2 MG O2 GDF 0,01 0,03 0,02 0,005 0,01 0 0,14 CO2 0,12 0,04 0,035 0 CO CO Exp 0,1 0,08 0,06 0,04 CO2 Exp CO2 MG 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 CO MG CO GDF 0,02 CO2 GDF 0,005 0 0
Fraction molaire Fraction molaire Fraction molaire Fraction molaire Partie CH 4 /CO 0,025 0,02 0,015 Richesse = 1.4 CH4 CH4 Exp CH4 MG CH4 GDF 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 O2 0,02 0,015 0,01 0,005 17 O2 exp O2 MG O2 GDF 0,01 0,005 0 0 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 CO2 0,04 0,035 0,03 0,025 CO 0,05 0,02 0,04 0,03 0,02 0,01 CO2 exp CO2 MG CO2 GDF 0,015 0,01 0,005 CO exp CO GM CO GDF 0 0
18 Schéma réactionnel global Mécanisme de Revel et al. (1994) o Développé pour reproduire le retard a l allumage o T initial 900 K, mélange CH 4 /air, richesse 0.5 2.0 (1) 2CH 4 2CH 3 + H 2 (2) 2CH 3 + O 2 2CH 2 O + H 2 (3) 2CH 2 O + O 2 2CO + 2H 2 O (4) 2H 2 + O 2 = 2H 2 O (5) 2CO + O 2 = 2CO 2 (6) N 2 + O 2 = 2NO Partie NO Test et mis en défaut du modèle en fonction des valeurs obtenues par simulation
Fraction molaire Modèle global Fraction molaire GDF-Kin 19 Schéma réactionnel global: Partie NO En comparaison avec la simulation réalisée avec GDF-Kin le modèle global sous-estime fortement la production de NO 3,50E-09 3,00E-09 NO mglobal NO 8,00E-07 7,00E-07 2,50E-09 NO GDF 6,00E-07 2,00E-09 1,50E-09 5,00E-07 4,00E-07 3,00E-07 1,00E-09 2,00E-07 5,00E-10 1,00E-07
20 Schéma réactionnel global: Partie NO Pour mieux prendre en compte la formation de NO provenant de l azote du combustible, on peut introduire le NH 3 dans le modèle global L oxydation du NH 3 conduit principalement à la formation de deux produits stables, le NO et le N 2 Cette oxydation peut être modélisée en 2 étapes (De Soete (1975) et Mitchell & Tarbell (1982)) NH 3 + O 2 NO + H 2 O + ½H 2 NH 3 + NO N 2 + H 2 O + ½H 2 Calage du modèle en fonction des concentrations de NO et NH 3 obtenues avec GDF-kin (pour le mélange gazeux contenant du NH 3 )
Partie NO Fraction molaire NO Fraction molaire NO Fraction molaire NO 21 Fraction molaire NO Fraction molaire NO Fraction molaire NO 3,00E-04 2,50E-04 GDFkin 7,00E-05 6,00E-05 3,00E-04 2,50E-04 M. Global 7,00E-05 6,00E-05 Richesse = 0.6 Fraction molaire NH3 2,00E-04 1,50E-04 1,00E-04 5,00E-05 NH3 NO 5,00E-05 4,00E-05 3,00E-05 2,00E-05 1,00E-05 Fraction molaire NH3 2,00E-04 1,50E-04 1,00E-04 5,00E-05 NH3 NO 5,00E-05 4,00E-05 3,00E-05 2,00E-05 1,00E-05 773 873 973 1073 1173 1273 773 873 973 1073 1173 1273 3,00E-04 2,50E-04 GDFkin 5,00E-05 4,00E-05 3,00E-04 2,50E-04 M. Global 5,00E-05 4,00E-05 Richesse = 1.0 Fraction molaire NH 3 2,00E-04 1,50E-04 1,00E-04 5,00E-05 NH3 NO 3,00E-05 2,00E-05 1,00E-05 Fraction molaire NH 3 2,00E-04 1,50E-04 1,00E-04 5,00E-05 NH3 NO 3,00E-05 2,00E-05 1,00E-05 773 873 973 1 073 1 173 1 273 773 873 973 1 073 1 173 1 273 3,00E-04 2,50E-04 GDFkin 6,00E-06 5,00E-06 3,00E-04 2,50E-04 M. Global 6,00E-06 5,00E-06 Richesse = 1.4 Fraction molaire NH3 2,00E-04 1,50E-04 1,00E-04 5,00E-05 NH3 NO 4,00E-06 3,00E-06 2,00E-06 1,00E-06 Fraction molaire NH3 2,00E-04 1,50E-04 1,00E-04 5,00E-05 NH3 NO 4,00E-06 3,00E-06 2,00E-06 1,00E-06 773 873 973 1073 1173 1273 773 873 973 1073 1173 1273
22 Conclusions Mécanisme de combustion à 5 étapes : Bonne estimation de la consommation des réactifs et de la production de CO 2 et H 2 0. Important pour la détermination du rayonnement Validation du modèle dans des conditions de mélange plus énergétique (14000 KJ/Kg) Fonctionnement limité par le rapport de concentration CH 4 /CO du mélange gazeux simplifié Mécanisme de production de NO (N du combustible): Obtention de données expérimentales pour comparaison et validation du modèle
23 Contributeurs Darabiha Nasser (Modèle cinétique) Laboratoire P (Expérimentation PSR) Remerciements Ce travail a été financé par l ANR, projet IDEA ANR-09-COSI-006 et par le CNRS Merci de votre attention
24 Introduction: Les gaz de dégradation La dégradation thermique de la végétation conduit à la formation d un mélange gazeux combustible Le mélange de gaz de dégradation est formé par une grande quantité d espèces chimiques L oxydation de ce mélange au contact de l air libère de l énergie nécessaire pour alimenter la propagation du feu Il est généralement admis qu un mélange simplifié peut être utilisé pour représenter leur combustion