Etude paramétrique des effets de la stratification de la flamme sur les émissions d'oxydes d'azote (deuxième partie) Parametric Study of Stratification Effects on Nitric Oxide Emissions from Flames (Part Two)

Abstract

On a étudié les effets de la stratification de flammes de prémélange laminaires, stationnaires et non stationnaires, sur les émissions d'oxydes d'azote formés par le mécanisme thermique et par le mécanisme du fuel-NO. Deux modalités de stratification ont été considérées, l'une juxtaposant sur le même plan les zones de combustion primaires correspond aux fractions individuelles du mélange stratifié (stratification en juxtaposition), l'autre disposant ces zones de combustion primaires sur des plans successifs (stratification en succession). Les émissions d'oxydes d'azote mesurées sur les flammes stratifiées ont été comparées à celles provenant de flammes non stratifiées de même composition globale et brûlant dans des conditions identiques. L'étude montre qu'il y a lieu de distinguer deux types d'effets de stratification. II existe un effet primaire qui est la simple conséquence du morcellement de la flamme en un certain nombre de zones de combustion primaires (caractérisées par des compositions différentes/ et qui se traduit par l'additivité des émissions individuelles provenant des fractions respectives du mélange. L'effet total de la stratification se réduit à ce seul effet primaire au cas où les vitesses de formation des oxydes d'azote deviennent nulles après re-mélange des produits de combustion provenant des différentes fractions du mélange stratifié. fi' en est ainsi par exempte dans le cas des flammes non stationnaires stratifiées en succession; il en résulte alors soit une augmentation soit une diminution des émissions d'oxydes d'azote par rapport à celles des flammes non stratifiées, suivant la valeur de la richesse globale et du degré de stratification. Des effets secondaires de stratification se manifestent chaque fois que des produits de combustion, provenant d'une zone de combustion primaire donnée, sont introduits totalement ou partiellement dans un autre front de flamme créé par la stratification dans le cas de flammes stationnaires. Ces effets secondaires peuvent devenir très importants et masquer l'effet primaire, lorsque cet autre front de flamme constitue une zone de combustion secondaire où brûlent, après leur mélange, l'excès d'oxygène, provenant des zones de combustion primaires pauvres, avec l'excès de combustible provenant des zones de combustion primaires riches. Ces zones de combustion secondaires sont le siège d'une intense formation d'oxydes d'azote thermique, dans le cas où le mélange est dilué à l'azote moléculaire ; lorsqu'il s'agit de flammes stationnaires stratifiées en juxtaposition, ceci conduit à des émissions d'oxydes d'azote parfois bien supérieures à celles prévues par le simple effet primaire de la stratification. D'autre part, dans ces zones de combustion secondaires, l'ensemble des espèces azotées (y compris les oxydes d'azote) introduit avec les produits de combustion provenant d'une zone de combustion primaire, sera traité par le mécanisme du fuel-NO et peut être transformé en oxyde d'azote avec un rendement plus grand ou plus petit qu'en absence de cette zone de combustion secondaire; la valeur de ce rendement est principalement déterminée par la richesse de cette zone de combustion secondaire. Dans le cas des flammes stationnaires stratifiées en juxta- position, ceci conduit soit à une diminution soit à une augmentation des émissions de fuel-NO par rapport à celles qui caractérisent la flamme non stratifiée. Dans le cas des flammes stationnaires stratifiées en succession, l'établissement d'une zone de combustion secondaire est inévitable et elle coïncide avec la zone de combustion primaire de la fraction introduite en aval; le phénomène de réduction est alors prépondérant et l'effet secondaire de la stratification conduit alors à une diminution, parfois sensible, des émissions du NO thermique et du fuel-NO. Ces différents effets ont été discutés à la lumière des connaissances actuelles concernant les mécanismes cinétiques du NO thermique et du fuel-NO. Les conséquences des différentes modalités de stratification sur le rendement thermique de la combustion ont également été étudiées. Charge staging effects on thermal NO and fuel-NO emissions are studied on premixed laminar steady and unsteady flames. Two stratification modes are considered. In the first mode, called the juxtaposition mode, the primary combustion zones, corresponding to the individual fractions of the stratified mixture, are situated contiguously on the same plane; in the second mode, called the succession mode, they are situated on successive planes, with a primary combustion zone developing in the downstream combustion products of the other. Nitric oxide emissions are measured for stratified flames and compared with those coming from flames having the same overall composition and burning under identical conditions but without stratification. The results show that a distinction hos to be made between two types of stratification effects. The primary effect is the simple consequence of subdividing the flame into a certain number of individual primary combustion zones (characterized by different equivalence ratios) ; it is revealed by the addition of the individual emissions from the respective mixture fractions. The total effect of the stratification is limited solely to this primary effect, in sa far as the nitric oxide rates vanish, after the combustion products issuing from the different mixture fractions become mixed. This obviously applies in the case of unsteady flames stratified in the succession mode ; charge stratification then results either in on increase or a decrease in nitric oxide emissions compared with those of the corresponding non-stratified flames, depending on the overall equivalence ratio and the degree of stratification. Whenever combustion products issuing from a given primary combustion zone are introduced into another combustion zone of the stratified flame, secondary stratification effects appear. They may become preponderant and completely mask the primary effect in the case where a secondary combustion zone is built up; this always applies for steady flames, when stratified into fuel-rich and fuel-lean fractions. If the flammable mixtures are nitrogen diluted, then this secondary combustion zone is characterized by intensive thermal NO production; in the case of steady flames stratified in the juxtaposition mode, this generally results in higher nitric oxide emissions thon those predicted by the primary effect clone. On the other hand, when the nitrogen-containing spectes (including NO itself) issuing from the primary combustion zone enter into the secondary combustion zone, they are treated there by the prevailing- fuel-NO mechanism and have an NO yield which depends mainly on the equivalence ratio of that secondary combustion zone. In the case of steady flames stratified in the juxtaposition mode, this will determine a total fuel-NO emission which may be either larger or smaller thon that of the corresponding non-stratified flame. ln the case of steady flames stratified in the succession mode, the secondary combustion zone necessarily coincides with the downstream primary combustion zone, on the NO reducing effect of this secondary combustion zone will always prevail. Therefore, an eventually substantial decrease in both thermal and fuel NO emission should always be expected. These different staging effects are discussed on the basis of overall thermal and fuel-NO kinetics. Consequences of the different stratification modes on combustion efficiency are studied.