Study of the formation of pollutants, in particular NOx, during the combustion of biogas and bio-oils - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2021

Study of the formation of pollutants, in particular NOx, during the combustion of biogas and bio-oils

Étude de la formation de polluants, notamment NOx, lors de la combustion de biogaz et de bio-huiles

Abstract

Due to the depletion of fossil fuels and climate warnings, CO2 neutral technologies must be based primarily on renewable energy sources and must increasingly replace fossil fuels. Biogas and bio-oils are one of the renewable energy sources that are gaining attention globally due to their direct applicability without any modification, since their properties are similar to those of natural gas and petroleum. In order to use the most promising technology options, increased efforts in basic and applied research are needed. This thesis aims at obtaining a better understanding of the formation of pollutants, in particular NOx during biogas and biofuel combustion by means of both an experimental study and numerical simulations. The combustion chemistry of biogas and bio-oils in the gas phase is still relatively unknown. The establishment of an experimental database including the identification of the products and intermediates formed will allow a better understanding of the chemical reactions involved. The objective will then be to develop and validate detailed kinetic models able of reproducing the combustion of biogas and bio-oil surrogates. The study of fuel oxidation and pyrolysis was carried out using both a jet-stirred reactor and flow tube reactors over a wide range of temperature conditions (up to 2073 K). Different methods were implemented during this thesis in order to analyze the large number of intermediates. The analysis methods used for this thesis are Gas Chromatography (GC), Online-Mass Spectrometry (MS), NOx analyzer by chemiluminescence, and Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). The thesis allowed the study the oxidation and pyrolysis of different fuels, from biogas surrogates (NH3, NH3/CH4, NH3/H2, H2S, H2S/CH4) to bio-oil surrogates (pyrrole, ethylene glycol, propylene glycol). The study of the formation of NOx during the oxidation of CH4 and ethylene in the presence of air was also investigated during my PhD. For most of these reactants, the experimental results were used to develop and validate a kinetic model, especially with Politecnico di Milano for nitrogen and sulfur containing fuels. These models were then used to study the decomposition pathways of the species studied.
En raison de la raréfaction des combustibles fossiles et des enjeux climatiques, les technologies neutres en CO2 doivent être basées principalement sur des sources d'énergie renouvelables et doivent se substituer progressivement aux combustibles fossiles. Le biogaz et les bio-huiles font partie des sources d'énergie renouvelables sur lesquelles se porte l'attention dans le monde entier en raison de leur utilisation directe avec peu de modifications puisque leurs propriétés sont proches de celles du gaz naturel et du pétrole. Afin d'utiliser les options technologiques les plus prometteuses, des efforts accrus au niveau de la recherche fondamentale et appliquée sont nécessaires. Cette thèse vise à mieux comprendre la formation de polluants, en particulier les NOx lors de la combustion de biogaz et de bio-huiles à la fois par des études expérimentales et des simulations numériques. La chimie de combustion du biogaz et des bio-huiles en phase gazeuse est encore relativement méconnue. La constitution d'une base de données expérimentale comprenant l'identification des produits et intermédiaires formés permettra une meilleure compréhension des réactions chimiques mises en jeu. L'objectif sera ensuite de développer et de valider des modèles cinétiques détaillés capables de reproduire la combustion de composés modèles des biogaz et des bio-huiles. L'étude de l'oxydation et de la pyrolyse de ces composés modèles a été réalisée en utilisant à la fois un réacteur parfaitement agité et des réacteurs pistons sur une large gamme de températures (jusqu'à 2073 K). Différentes méthodes ont été mises en œuvre au cours de cette thèse afin d'analyser une large gamme de composés. Les méthodes d'analyse utilisées pour cette thèse sont la chromatographie en phase gazeuse (GC), la spectrométrie de masse en ligne (MS), l'analyse des NOx par chimiluminescence et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Les composés modèles étudiés lors de cette thèse sont NH3, NH3/CH4, NH3/H2, H2S, H2S/CH4 dans le cas du biogaz et le pyrrole, l’éthylène glycol et le propylène glycol dans le cas des bio huiles. Une étude complémentaire de la formation de NOx lors de l'oxydation de CH4 et de l'éthylène en présence d’air a été réalisée. Pour la plupart de ces réactifs, les résultats expérimentaux ont été utilisés pour développer et valider un modèle cinétique, en particulier en collaboration avec Politecnico di Milano pour les carburants azotés et soufrés. Ces modèles ont ensuite été utilisés pour étudier les voies de décomposition des espèces étudiées.
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tel-03667927 , version 1 (23-02-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03667927 , version 1

Cite

Suphaporn Arunthanayothin. Study of the formation of pollutants, in particular NOx, during the combustion of biogas and bio-oils. Engineering Sciences [physics]. Université de Lorraine, 2021. English. ⟨NNT : 2021LORR0246⟩. ⟨tel-03667927⟩
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