Changements sur le couplage Combustion/EHD

Le projet d’étude du couplage Combustion/EHD pour la biomasse s’est déroulé en parallèle des travaux sur la combustion de propane assistée par champ électrique. Selon les directives de l’industriel, la combustion s’effectue en environnement contrôlé, dans un appareil de chauffage au bois fourni par le partenaire. Dans ces

Figure 3.5 : Exemple de fluctuations observées pendant l’activation du champ électrique

conditions, l’implémentation des électrodes représentait un défi difficile à réaliser avec les contraintes de temps imposées. De fait, des problèmes techniques dans le placement des électrodes afin de perturber le moins possible la zone primaire de combustion et dans le câblage des électrodes pour les relier au générateur sont apparus dès les prémices du projet. La zone primaire de combustion peut atteindre jusqu’à 1 000°C tandis que l’extérieur de la fournaise à biomasse atteint des températures de surface jusqu’à 400°C. Dans ces conditions, le positionnement des électrodes à l’intérieur de l’enceinte de combustion est extrêmement compliqué pour appliquer le champ électrique directement à la zone de combustion.

Afin de contrôler de manière passive les émissions gazeuses et particulaires qui sont dégagées par des poches de combustion ayant des richesses variables, différentes zones ont été établies afin de contrôler le taux de mélange des gaz combustibles (Figure 3.67_):

1. La zone primaire est la zone dans laquelle le combustible solide est principalement dégradé thermiquement sous forme de gaz riches en composés organiques qui vont diffuser vers la zone secondaire. L’apport en air de cette zone est étudié pour assurer le maintien de la combustion et de la pyrolyse, quel que soit le régime de combustion choisi par l’utilisateur.

2. La zone secondaire assure la combustion complète du carburant. Dans cette zone, température, taux de dioxygène et temps de séjour des gaz sont primordiaux pour contrôler efficacement la quantité de suie (émissions particulaires) et d’imbrûlés (COV) émis. L’alimentation en air du secondaire se fait séparément du circuit primaire, permettant d’affiner considérablement les trois paramètres énoncés ci-avant.

3. D’autre part la zone de dilution sert essentiellement à ralentir l’écoulement et à le refroidir en sortie de zone de combustion, afin de « geler » l’équilibre chimique lorsque la composition des gaz d’échappement est jugée satisfaisante. Cet air ne participe ni à la pyrolyse du combustible solide ni à la combustion des gaz.

7_{Figure tirée du mémoire d’Hugo Marcoux, étudiant à la maitrise au laboratoire de combustion de l’Université Laval, soumis en 2013.} Figure 3.6 : Définition des zones de combustion de

La solution utilisée consiste à délocaliser l’application du champ électrique en amont de la zone de combustion, sur le circuit d’alimentation en air de la zone secondaire. La structure des électrodes est altérée pour une conformation cylindrique. L’air circulera dans l’espace annulaire entre les deux électrodes pour s’ioniser, créant de nombreux radicaux libres et autres espèces hautement réactives. Le champ électrique est amplifié en réduisant la distance entre les électrodes, et l’introduction d’une épaisseur de quartz à la surface de l’une d’entre elles permet de se placer dans un régime assimilable à une décharge de barrière diélectrique (Figure 3.7)8_.

Le générateur de DBD conçu au laboratoire en suivant les spécifications de Chang et coll. [17] pour leur étude a été validé expérimentalement par iodométrie. La fréquence du générateur est fixée à 8.2 kHz, avec une puissance allant jusqu’à 150 W pour une décharge de 5 kV. La méthode de dosage repose sur la réaction d’oxydation de l’ion iodure par l’ozone pour former du diiode au fur et à mesure du barbotage de l’air issu du générateur dans une solution d’iodure de potassium (KI). Lorsque le barbotage est arrêté, le pH de la solution d’iodure de potassium est ajusté à l’aide d’acide sulfurique à pH 2 ou moins, de façon à s’assurer que la réaction est complète. Le diiode ainsi formé est titré avec indicateur colorimétrique par du thiosulfate de sodium standardisé (la standardisation est effectuée en titrant préalablement une solution étalon de diiode afin de connaitre précisément la concentration du titrant qui sera utilisé dans le dosage de la solution de concentration inconnue en diiode dans laquelle l’air ionisé a barboté). La masse d’ozone subséquemment titrée est déterminée sur une base stœchiométrique de 1 entre le diiode et l’ozone. La méthode complète du dosage est rapportée par Rakness et coll. [20].

Dans ces conditions, les quatre titrages effectués avec des débits et temps de barbotage de l’air issu du générateur de DBD variables, on obtient une concentration en ozone9 _{de 6.3 g/m}3_{. Pour comparer, Chang et}

coll. [17] obtiennent des concentrations allant de 2 à 10 g/m3 _{pour de l’air ionisé avec des amplitudes de}

décharges électriques et temps de résidence équivalents aux conditions de nos dosages.

Le choix de l’alimentation du secondaire et non de la zone primaire a été dicté par des contraintes d’encombrement et de puissance électrique requise par rapport au débit d’air à faire circuler. Il est évident qu’une

8_{Image tirée de Chang et coll. [17]}

9_{Cette concentration est sujette à une erreur globale commise et estimée à 15 % de la valeur obtenue selon Birdsall et coll. [22]} Figure 3.7 : Schéma des électrodes de

étude complémentaire sur le procédé avec alimentation de la zone primaire de combustion serait intéressante à réaliser et à analyser.