Modélisation de la combustion de fuels lourds prenant en compte la dispersion des asphaltènes

Modeling Heavy Fuel-Oil Combustion (While Considering) Or Including Asphaltene Dispersion

Institut Français du Pétrole

Résumé

Divers modèles, ayant pour but de prédire le taux d'imbrûlés solides lors de la combustion du fuel lourd, ont été mis au point dans le passé. Les paramètres entrant en ligne de compte sont le plus souvent les teneurs en résidus lourds hydrocarbonés (asphaltènes précipités au pentane ou à l'heptane et carbone Conradson) et en métaux : c'est le cas des modèles Exxon et Shell développés respectivement en 1979 et 1981. D'autres modèles tiennent compte, en plus de la composition du fuel, de son mode d'atomisation, de son mode de diffusion dans le foyer et de la cinétique de combustion : on peut citer les travaux du Laboratoire Energie du MIT publiés en 1986. Néanmoins, ces facteurs ne sont pas les seuls à intervenir : l'expérience a montré que l'état de dispersion des asphaltènes peut jouer également un grand rôle, notamment dans le cas d'installations de combustion à injection mécanique, pour lesquelles la dispersion des gouttelettes n'est pas aussi fine que pour des installations munies d'une injection assistée par la vapeur. Cette influence de la dispersion des asphaltènes sur la combustion a été mise en évidence dans le passé par l'utilisation d'additifs dispersants et également par la combustion de fuels lourds constitués par dilution d'asphaltes précipités au pentane avec un gas-oil de cracking catalytique de raffinerie (LCO). Ce sont ces fuels que l'on a considérés dans la présente étude. L'effet de ce facteur dispersion n'a pas été quantifié jusqu'alors, la difficulté étant de définir une grandeur mesurable représentant la répartition des agglomérats d'asphaltènes. Dans cette étude, on a essayé en un premier temps de faire une approche fractale de la répartition des asphaltènes à partir de clichés (préparés par la société Total), cette méthode ayant déjà été utilisée avec succès pour décrire des structures d'aspects comparables. Malheureusement, on s'est heurté à des difficultés relevant du mode d'exploration et de la non adéquation entre les structures asphalténiques et fractales. On a finalement opté pour une détermination visuelle s'appuyant sur les clichés sur lesquels les agglomérats d'asphaltènes sont clairement visualisés tels qu'ils sont dans le fuel. Ce mode d'exploration laborieux a cependant permis de déterminer un modèle construit sur une série de 25 fuels dont 10 ont été brûlés sur une chaudière de 2 MW, et 15 sur un four de 100 kW. Ce modèle fait intervenir les teneurs en carbone Conradson et en métaux, ainsi que le taux de dispersion des asphaltènes. Le perfectionnement des moyens d'exploration aidant, on peut s'attendre à ce que soient disponibles des techniques d'évaluation de la dispersion sur les clichés. Ce paramètre pourra alors être pris en considération pour une meilleure prédiction de résultats de combustion insuffisamment expliqués avec les paramètres classiques.

Abstract

Various models aiming to predict the amount of unburned particles (solids) during heavy fuel-oil combustion have been developed. The parameters taken into consideration are generally asphaltenes precipitated by normal heptane or pentane and Conradson carbon as well as the metals content having a known catalytic effect on cenosphere combustion in the combustion chamber. The Exxon and Shell models can be mentioned, which were developed respectively in 1979 and 1981 (Chapter II). Other models also give consideration to the fuel-oil composition, the way it is atomized and diffused in the chamber and the combustion kinetics (research done by the MIT Energy Laboratory published in 1986). However, the above parameters are not the only ones involved. For some fuel oils, experience has shown that the state of dispersion of asphaltenes may also play an important role particularly for combustion installations with mechanical injection for which the dispersion of fuel-oil droplets is not very great and does not affect the structures built up by asphaltene aggregates. This influence of asphaltene dispersion on combustion was revealed in the past by the use of dispersant additives, and more recently in the combustion of heavy fuel oils made up by the dilution of pentane-precipited asphalts with a light cycle oil (LCO). These fuel oils are considered in this article because a divergence has been found between prediction and the measurement of solid unburned hydrocarbons as the result of a more or less dispersed state of asphaltenes, depending on the conditions of diluted-asphalt preparation with a fixed fuel oil/LCO ratio. The goal has thus been to add on a term representative of this state of dispersion to the terms normally considered (asphaltenes, Conradson carbon, metals). To assess the state of dispersion of asphaltenes in fuel oils, pictures implying a special preparation of sample (taken by Total) were examined. These photos give a fairly representative picture of aggregate distribution in the fuel oil. To assess this dispersion, a fractal approach, which had already been applied successfully to describe structures with comparable aspects, was tried, but we came up against difficulties stemming from the exploration method and from the unmatching of asphaltenic and fractal structures. We finally chose a visual determination based on the photos in which the asphaltene agglomerates are clearly represented as they occur in the fuel oil (set of photos in the article). This laborious exploration method (liable to be replaced by image-scanning software) nevertheless enabled a more complete model to be designed for this type of production. This model was based on a serie of 25 fuel oils, ten of which were burned in a 2 MW boiler and 15 in a 100 IkW furnace. The characteristics of these fuel oils are given in Table I. The designations tau s and tau v represent the rates of surface and volume dispersion of the fuel oils expressed respectively in agg/µm² and agg/µm3 (agg = agglomerates). Table II has to do with the nature of the fuel oils used (origin of the crude and method of preparation). The prospection methodology in creating the overall model is diagramed in a flowchart. The two series of fuel oils were burned respectively in a 2 MW boiler and a 100 kW furnace. The aim was to reduce them to a single serie of 25 measurement so that the model would have greater significance. The particles emission between the two installations were appreciably different, and so they had to be made comparable by a passage equationbetween the actual values obtained for the 2 MW boiler and the fictive values predicted by the intermediate model used (model of the 100 kW furnace). With the help of the passage equation, we were thus able to build a model on all the data. The model concerning the 100 kW furnace was taken as the intermediate model, and thus the values predicted by the overall model are directly applicable to the 100 kW furnace. However, the reverse passage equationhad to be applied to the fictive predicted values for the 2 MW boiler to obtain the particle emission corresponding to this latter installation.