Flashback, autoignition, and quenching of premixed hydrogen flames: overcoming challenges in heat decarbonization.
Soutenance de thèse Hugo Pers
Mardi 28 janvier 2025 à 14h00 – Amphithéâtre Nougaro
Abstract:
The surge in anthropogenic CO2 emissions since the Industrial Revolution is widely recognized as the cause of global warming, the dramatic consequences of which are already visible. While questioning energy needs is crucial, rapid development of decarbonized energy consumption methods is essential. In this context, green hydrogen emerges as a promising candidate, allowing energy from intermittent sources to be stored for long durations and consumed without emitting CO2. However, H2-hybridization of premixed burners designed for natural gas is quickly limited by flashback issues, during which the flame is able to propagate upstream into the injection system. Premixed burners used for domestic and industrial heat production, ranging from kilowatts to megawatts, mostly rely on multi-perforated injection units made of slits and holes smaller than a millimeter above which flames stabilize. Standard models developed for hydrocarbon fuels fail to predict flashback in these burners, which prevents the design of reliable and safe burners operating with hydrogen.
In this context, this work aims to understand the fundamental mechanisms allowing H2-enriched flames to flashback in premixed laminar perforated burners, by focusing on the associated extreme thermal and hydrodynamic phenomena.
This analysis combines theory, simulations and experiments. Direct numerical simulations, taking into account conjugate heat transfer between the fluid and the solid, are used to emphasize the impact of burner geometry on flame stabilization. The investigation focuses on how slit asymmetry affects the blow-off of methane flames and flashback of hydrogen flames. An original experimental setup is developed to observe the initiation and propagation of flashback inside an industrial burner. High-speed UV imaging unveils several mechanisms responsible for triggering flashback, including the autoignition of reactants along the hot burner walls heated by the flames. A second test bench with a transparent injection system, replicating key features of the industrial burner, is employed to generalize the findings across various burner geometries. This examination highlights the ineffectiveness of reducing perforation size as a means to prevent flashback. Analysis of flashback initiation mechanisms when the slit width is reduced to dimensions comparable to the flame thickness also reveals the critical role of the quenching distance, characterizing the slit resistance to upstream flame propagation. A novel experimental method is developed to evaluate this resistance, demonstrating the role of perforations’ hydraulic diameter in preventing upstream flame propagation.
Finally, an iterative design process results in the development of an industrial burner prototype resistant to flashback across a wide operational range, including up to pure hydrogen-air mixtures.
Résumé en français :
L’explosion des émissions anthropiques de CO2 depuis la révolution industrielle est aujourd’hui reconnue comme la cause du réchauffement climatique, dont les conséquences dramatiques sont d’ores et déjà visibles. La combustion d’hydrocarbures, qui représente près de 90% de la production d’énergie primaire, en est le principal moteur. Bien que l’interrogation des besoins soit cruciale, le développement de méthodes de production d’énergie décarbonées est également essentielle. Dans ce contexte, l’hydrogène vert peut s’avérer un vecteur énergétique prometteur, permettant de stocker l’énergie issue de sources intermittentes pendant de longues durées et de la consommer sans émettre de CO2. Cependant, l’hybridation à l’hydrogène de systèmes de combustion prémélangée conçus pour du gaz naturel est très rapidement limitée par des problèmes de sécurité, notamment la remontée de la flamme dans le système d’injection, appelée flashback. Les systèmes utilisés pour la production de chaleur domestique et industrielle, du kilowatt au megawatt, s’appuient pour la plupart sur des brûleurs multi-perforés par un ensemble de fentes et de trous de dimension caractéristique inférieure au millimètre. Le flashback dans ces brûleurs n’obéit pas aux modèles usuellement utilisés pour le décrire, empêchant la conception de systèmes robustes.
Dans ce contexte, ces travaux portent sur l’analyse des phénomènes extrêmes observés sur les brûleurs laminaires prémélangés multi-perforés, afin de comprendre les mécanismes fondamentaux permettant à une flamme de remonter dans le système d’injection. Des simulations numériques directes (DNS) intégrant le couplage thermique fluide-solide sont utilisées pour mettre en lumière le rôle de la géométrie du brûleur dans la résistance à l’extinction à haute puissance (blow-off) et au flashback à basse puissance. Un effet contre-intuitif de l’asymétrie des fentes est mis en évidence.
Un dispositif expérimental original permettant d’observer l’initiation et la propagation du retour de flamme sur un brûleur industriel est conçu. L’utilisation d’imagerie haute cadence UV permet d’identifier plusieurs mécanismes déclencheurs du flashback dans ces systèmes, dont l’autoallumage des réactifs sous la paroi du brûleur.
Un second banc expérimental avec une zone d’injection transparente est réalisé pour l’étude de configurations académiques, s’affranchissant des spécificités du brûleur industriel et permettant une généralisation des résultats. L’étude du rôle de la géométrie des fentes met en évidence l’échec de la stratégie de réduction de la dimension des perforations afin d’éviter le flashback. L’analyse théorique et expérimentale de fentes de largeur de l’ordre de l’épaisseur de flamme permet d’identifier un nouveau paramètre pilotant la survenue du flashback: la distance de quenching, qui caractérise l’opposition de la paroi à la propagation de la flamme.
Cette caractéristique fondamentale d’une flamme est étudiée à l’aide d’un dispositif expérimental innovant, qui met en évidence l’influence du diamètre hydraulique sur la capacité d’une ouverture à empêcher la propagation de la flamme.
Enfin, un processus itératif fondé sur les résultats fondamentaux obtenus mène à la conception d’un brûleur industriel résistant au flashback sur une large plage de fonctionnement jusqu’à 100% d’hydrogène.
