PhysicoChimie des Processus de Combustion et de l'Atmosphère

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Flamme : Diagnostics lasers et mécanismes chimiques

Post-docs en cours

  • Detailed soot modelling in laminar flames
    Présentation:

    This project aims to extend with advanced soot modelling previous studies performed at Laboratoire PC2A on rich premixed laminar flames gas phase kinetics (Energy 43 (2012) 73-84 El Bakali et al.). Therefore, the main objectives of this work are to provide a soot model able to predict soot number density functions (SNDF) in laminar flames and to use it to simulate various flames studied at Laboratoire PC2A. The model will be based on a sectional description of the SNDF (Combust. Flame 162 (2015) 3081-3099, Aubagnac-Karkar et al.) interacting with a detailed kinetic solver such as the one already used at Laboratoire PC2A. The project splits into two parts.

    A first technical step is required in order to implement the proposed model in a detailed kinetic solver. This step includes a comparative study between the available kinetic solvers, the choice of the soot model technical specifications and its actual implementation into the chosen kinetic solver.

    Then, a database containing several experimental sooting laminar flames will be selected and simulated. This database will be mostly based on the experiments performed at Laboratoire PC2A. Rich n-butane flames (Damien Boufflers, PhD thesis, Université Lille 1) and low-sooting flames (Proc. Comb. Inst. 35 (2015) 1843-1850, Bladh et al.) are examples of this project targeted conditions. Flame measurements taken from literature will also be considered in order to complete these studies. These simulations will rely on detailed gas phase chemistry mechanisms developed previously at Laboratoire PC2A. They will be defined in order to focus a few specific points of soot particles physics. Thus, they should lead to further validations of the model as well as a better understanding of soot formation and evolution processes.

    Damien Aubagnac-Karkar

Thèses en cours

  • Caractérisation de particules de suies et de leurs précurseurs au sein de flammes (laminaires – turbulentes) par couplage on-line de techniques lasers
    Présentation:

    Le but de cette thèse est de caractériser les particules de suies et leurs précurseurs (notamment les composés aromatiques polycycliques et les aliphatiques) au sein de flammes par le couplage on-line de techniques développés séparément par deux équipes de recherche de l'université Lille 1 :
    -la désorption laser / ionisation laser / spectrométrie de masse à temps de vol (LD/LI/MS) au laboratoire PHLAM (Physique des Lasers, Atomes et Molécules)
    -la fluorescence et l'incandescence induites par laser (LII/LIF) au laboratoire PC2A (Physico-Chimie des Processus de Combustion et de l’Atmosphère).
    Ceci permettra de réaliser simultanément la localisation des suies et de leurs précurseurs au sein des flammes par LII/LIF et l'identification de ces précurseurs et des espèces adsorbées à la surface des suies par LD/LI/MS avec une sensibilité meilleure que la femtomole par tir laser.
    Le système d’analyse sera testé et développé dans une flamme turbulente d’hydrocarbures liquides et dans une flamme laminaire « plate » qui est une flamme « modèle » très étudiée au sein de la communauté internationale de la combustion. Les caractéristiques de cette flamme permettent de modéliser la formation des suies et de leurs précurseurs « les HAP » sur la base de mesures quantitatives d’HAP mises au point au laboratoire PC2A récemment. Le nouveau dispositif développé lors de cette thèse pourra être confronté à cette technique « jet-cooled » au sein de flamme étudiées au PC2A.
    On pourra ainsi déterminer instantanément la composition chimique des suies ou de leurs précurseurs et suivre leur évolution avec la hauteur de prélèvement dans les flammes, c’est-à-dire avec le stade de la combustion. Les résultats attendus devraient permettre une meilleure compréhension des mécanismes de formation des suies dans les flammes et notamment de mettre en évidence les mécanismes de réduction des particules de suies lors de la combustion de biocarburants.

    Mots clés :
    Environnement – Suies - Composés Aromatiques Polycycliques - Désorption/Ionisation Laser - Diagnostic Optique

    Doctorante : Cornélia IRIMIEA

    Financement : Bourse Président Lille1 (50%) - Région NPdC (50%)
     

    Encadrant: Eric Therssen (PC2A), Cristian Focsa (PhLAM)
    Laboratoire: laboratoires PC2A et PhLAM, CERLA
    Contact: Eric Therssen, Tel : 03 20 33 64 67
    Cristian Focsa, Tel : 03 20 33 64 84

  • Impact de l’oxydation de biocarburants sur la formation des oxydes d’azote
    Présentation:

    L’utilisation de biocarburants est préconisée pour la réduction des gaz à effet de serre (GES) et les émissions polluantes (HAP, suie,…). Les biocarburants de première génération (issus des ressources vivrières telles le blé ou le colza) sont toutefois controversés car ils engendrent des problèmes d’ordre économique et de ressources des sols. Les biocarburants de deuxième et troisième génération (issus respectivement de la biomasse et des algues) sont une alternative. La transformation chimique de la biomasse (composée de lignocellulose) conduit à la synthèse de biocarburants et d’éthanol qui sont introduits directement seuls ou comme additifs aux carburants classiques dans les brûleurs ou moteurs. On retrouve dans ces biocarburants la présence d’éléments oxygénés présents dans la lignocellulose (acides carboxyliques, cycliques oxygénés, furanes,…).

     

    A ce jour, très peu de données sont disponibles dans la littérature sur l’impact de la combustion de ces biocarburants sur la formation des oxydes d’azote (émissions polluantes sur le plan sanitaire et environnemental). Les NOx sont formés selon différentes voies cinétiques. Alors que la voie « dite du NO thermique » est fortement liée au dégagement de chaleur dans le milieu réactionnel, les autres voies de formation sont dépendantes de la nature du combustible et ne sont pas bien établies sur le plan réactionnel.

    Dans le cadre de ce projet, il s’agit d’étudier l’oxydation de molécules oxygénées modèles de la ligno-cellulose dans des flammes laminaires stabilisées à basse pression. Les mesures d’espèces au sein des flammes seront réalisées en associant différentes techniques. Au sein du laboratoire PC2A de l’université Lille1, nous avons acquis une forte expertise dans le développement des diagnostics de spectroscopie laser nécessaires à la mesure de concentration absolue d’espèces clés qui interviennent le processus chimique de formation du NO. Ces techniques sont couplées à des méthodes analytiques classiques telles que la chromatographie en phase gaz afin de mesurer des espèces stables nécessaires. Ces données expérimentales obtenues dans différentes conditions sont nécessaires à la validation de mécanismes cinétiques détaillés. Ces mécanismes permettront d’analyser l’impact de l’oxydation en condition moteur de ces composés sur la formation des NOx.

    Doctorante : Lucia GIARRACCA

    Programme de recherche en lien avec le sujet :
    CPER CLIMIBIO (2014-2020)

    Mots clés :
    NOx, combustion, biocarburants oxygénés, diagnostics spectroscopie laser

    Financement : 50% Président Lille1 - 50% Région NPdC
     

    Encadrant: P. Desgroux, L. Gasnot,
    Laboratoire: Lab. PC2A
    Contact: Pascale Desgroux Tel : 030 20 43 49 30
    Laurent Gasnot  Tel : 03 20 43 48 02
     

  • Nucléation multi-précurseurs des suies : impact du carburant
    Présentation:

    La nucléation des suies - nanoparticules carbonées nocives pour la santé et l'environnement - se déroule par dimérisation d'espèces aromatiques péri-condensées ou de structures 3D liées par des chaînes aliphatiques. Cependant, la formation de ces précurseurs et leur dimérisation sont actuellement mal décrites. Cette thèse, intégrée à un projet ANR, vise à améliorer notre compréhension de ce processus de nucléation pour formuler et valider un modèle de formation des suies lors de la combustion de carburants automobiles et aéronautiques. Cette thèse contribuera à affermir le lien entre configurations académiques et industrielles en s'appuyant sur un grand nombre de données expérimentales et sur les outils numériques disponibles à IFPEN (évaluation de propriétés thermochimiques, génération de schémas cinétiques, modèles 0D-3D de réacteur, solveurs cinétiques, ...). Le schéma cinétique relatif à la phase gazeuse sera couplé à un modèle sectionnel développé à IFPEN et étendu à une nucléation multi-précurseurs. Les différents sous-modèles (nucléation, croissance de surface, coagulation et oxydation hétérogène) seront validés séparément. Le modèle obtenu lors de cette thèse aura vocation à être valorisé dans des revues académiques et industrielles. Il sera évalué sur des configurations de partenaires industriels et capitalisé dans les outils numériques permettant la conception et l'optimisation des chambres de combustion ainsi que des organes de dépollution. Ce sujet permettra au (à la) doctorant(e) d’accroître ses connaissances dans les domaines des carburants, de la physico-chimie, de la combustion, du génie chimique, des matériaux et de la simulation numérique. Ce sujet lui permettra également de s'investir dans un travail de recherche fondamental tout en lui offrant l'opportunité d'être en prise directe avec les objectifs industriels d'exploitation de ses recherches.

     

    Doctorant :  Mamady KEITA

    Programme de recherche en lien avec le sujet : ANR ASMAPE

    Mots clés :
    Cinétique chimique, combustion, nucléation, HAP

    Financement : 100% IFP-EN
     

    Encadrant: A. El Bakali (PC2A), A. Nicolle (IFPEN)
    Laboratoire: Lab. PC2A
    Contact: Abderrahman El Bakali  Tel : 03 20 43 48 04
    André Nicolle  Tel : 01 47 52 66 88

  • Etude expérimentale de la formation des HAPs et des suies dans des flammes laminaires de carburants d’intérêt aéronautique et automobile
    Présentation:

    L’objet de ce travail de thèse est de fournir une base de données expérimentales conséquente pour la mise au point et le développement d’un modèle cinétique détaillé représentatif de la formation des particules de suies dans les processus de combustion d’intérêt aéronautique et automobile. En effet, de nombreuses incertitudes persistent encore quant aux mécanismes chimiques et espèces mises en jeu dans ces processus. Or, face aux réglementations de plus en plus exigeantes en termes de rejet d’émission de particules, il est crucial de réaliser des études précises et quantitatives afin d’aboutir à une meilleure compréhension de ces phénomènes.

    Pour ce faire, nous proposons dans ce travail de thèse de mettre en œuvre un certain nombre de techniques expérimentales de pointe, soit classiques comme la chromatographie en phase gaz (GC) pour la mesure des petites espèces hydrocarbonées saturées et insaturées mais aussi d’autres méthodes plus originales comme la fluorescence induite par laser (LIF) en jet froid pour la mesure des composés aromatiques polycliques (HAPs) ou l’incandescence induite par laser (LII) pour la détection des particules de suies. L’ensemble des mesures seront réalisées dans des flammes laminaires de laboratoire avec pour carburant principal le n-butane auquel sera ajouté en proportions variables des composés de type aromatique (n-propyl-benzène), alcane ramifié (isooctane) et naphthénique (n-propyl-cyclohexane). L’objet de ces ajouts étant de définir des carburants « surrogates », c’est-à-dire, présentant des propriétés physico-chimiques se rapprochant de celles des carburants réels (Diesel et Kérosène) mais plus simples à étudier en laboratoire que ces derniers.

    Ce projet de thèse est à part égale financé par le labex CAPPA (Chemical and Physical Properties of the Atmosphere) et l’ANR ASMAPE (Modélisation avancée des suies pour les moteurs aéronautiques et à piston) en lien notamment avec l’IFPEN (Institut français du pétrole et des énergies nouvelles).

    Doctorant : Christopher Bétrancourt

    Programme de recherche en lien avec le sujet :
    ANR ASMAPE
    LaBEX CaPPA

    Mots clés :
    Carburants - Suies - Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques - Diagnostic Optique - Chromatographie en Phase Gaz

    Financement : 50% ANR ASPMAPE - 50% Labex CaPPA
     

    Contact: Pascale Desgroux Tel : 03 20 43 49 30
    Xavier Mercier  Tel : 03 20 43 48 04

  • Etude de l’oxycombustion de solides pulvérisés en vue de faciliter le captage du CO2 - Application à l’étude des processus physico-chimique de formation de polluants aromatiques et particulaires par diagnostics laser
    Présentation:

    Le charbon est un combustible fossile qui demeure très couramment employé dans le secteur industriel. Il assure près de 30 % du bilan énergétique primaire mondial et est utilisé pour produire près de 66 % de l’acier et 41 % de l’électricité. Les prévisions actuelles tendent de plus à montrer que le charbon continuera d’occuper une place essentielle dans le mix énergétique des prochaines décennies. L’utilisation accrue de ce combustible se heurte toutefois à la problématique de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Le recours à des procédés de capture et de séquestration du CO2 tels que l’oxycombustion de même que le fait de substituer une partie du charbon par de la biomasse (ayant captée du CO2 tout au long de sa croissance) constituent des solutions clairement envisagées afin de limiter l’impact environnemental des procédés de production d’énergie. Il n’en demeure pas moins que le recours à des atmosphères de combustion enrichies en oxygène tout comme l’utilisation de combustibles biosourcés vont tendre à modifier les processus de dévolatilisation et d’oxydation des semi-cokes, les températures de combustion ainsi que les caractéristiques des polluants émis. Des recherches sont donc nécessaires et ce tout particulièrement afin de lever les verrous scientifiques relatifs à la compréhension des processus complexes intervenant dans la formation des particules fines et ultrafines (telles que les suies) dont les émissions en sortie des systèmes de combustion font l’objet de réglementations accrues.

    Le présent programme de thèse vise ainsi à étudier l’influence de la teneur en oxygène du milieu réactionnel de même que l’impact de la nature du combustible (composition et teneur en matières volatiles) sur les mécanismes physico-chimiques impliqués dans la formation des particules de suie et des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP). Pour ce faire, un brûleur hybride de laboratoire permettant de reproduire des conditions de chauffe industrielle sera utilisé afin de stabiliser des flammes jets de combustibles solides pulvérisés. Des diagnostics laser faisant notamment appel au couplage des techniques d’incandescence et de fluorescence induites par laser (LII/LIF) seront en outre implémentés afin d’étudier et de caractériser de façon in-situ les processus conduisant à la formation des suies et de leur précurseurs aromatiques. L’analyse et la modélisation des signaux collectés dans les flammes devraient enfin permettre d’obtenir des informations relatives aux propriétés physiques des suies, ceci contribuant à établir une base de données inédite et nécessaire afin de mieux appréhender les mécanismes conduisant à la production des particules fines dans les systèmes de production d’énergie alimentés par des combustibles solides tels que le charbon ou le bois. 

    Mots clés : Charbon, Biomasse, CO2, Oxycombustion, Suies, Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques, Diagnostics Laser

    Doctorante : Annabelle HOSPITAL

    Date de début de thèse : Décembre 2014

    Financement : Bourse Ecole des Mines de Douai / Conseil Régional Nord – Pas de Calais

    Encadrant: E. Therssen (PC2A), R. Lemaire (DEI Mines Douai)
    Laboratoire: Département d’Energétique Industrielle – Ecoles des Mines de Douai
    Contact: Eric Therssen, Tel : 03 20 33 64 67 / Romain Lemaire (romain.lemaire@mines-douai.fr), Tel : 03 27 71 21 29

  • Impact du dihydrogène sur les processus de nucléation des particules de suies
    Présentation:

    Des études récentes ont pu montrer que l’impact cinétique du dihydrogène sur l’oxydation du méthane dans les conditions de flamme ne se traduit pas nécessairement par la réduction d’espèces hydrocarbonées. Dans certaines conditions, l’effet peut même être le contraire, et notamment sur la formation des premiers cycles aromatiques et ses précurseurs aliphatiques. Ce rôle ambigu de l’hydrogène doit être davantage exploré sur le plan expérimental et de modélisation d’autant plus que l’on note un regain d’intérêt croissant par rapport à l’hydrogène ces dernières années. Dans ce projet de thèse, il est proposé des mesures locales très fines (profils de température et de fraction molaires d’espèces chimiques, profils de fraction volumique des suies) dans des flammes de prémélanges bien contrôlées. Ces mesures seront notamment réalisées sur des flammes d’hydrocarbures supérieurs (butane) dites de « nucléation » en présence et en absence d’hydrogène en proportions variable. Il semble en effet acquis que l’impact de l’hydrogène est fortement lié à sa teneur présente dans le système réactif initial au voisinage de la stœchiométrie. Il serait intéressant d’examiner cet impact dans le cas des flammes à la limite de production des particules des suies. Les études en cours au laboratoire semblent dégager une propriété particulière de ces flammes, à savoir que les particules qui y sont produites ne subissent aucune croissance. En supposant  que cette caractéristique est engendrée par un état stationnaire entre les processus de formation des premières particules de suies d’une part, et des processus d’oxydation d’autre part, l’enrichissement des flammes en dihydrogène devrait perturber fortement ce supposé état stationnaire. La présence de H2 devrait en effet impacter significativement l’évolution relative des espèces actives notamment H et OH. Il est ainsi attendu que les processus d’oxydation soient défavorisés en raison d’une réduction des radicaux OH et que les processus de croissance par réaction de surface par le mécanisme HACA soient au contraire favorisés, en raison notamment de la forte sensibilité de ce dernier au rapport H/H2.     

    L’aspect expérimental reposera sur des techniques classiques telles que le couplage GC-M, mais aussi sur des techniques de diagnostic laser comme la LIF ou LII. Ces résultats permettront de poursuivre le développement et la validation d’un mécanisme cinétique détaillé en phase gaz et le développement d’un code de suies basé sur la méthode de sections.

    Le candidat recherché devra justifier d’une formation en chimie, physique ou physico-chimie avec de solides bases en cinétique chimique.

    Mots clés : Suies - Hydrocarbures aromatiques polycycliques -  Flammes - Hydrogène – Modélisation cinétique.

    Programmes de recherche en lien avec le sujet :  Labex CaPPA  -  CLIMIBIO

    Doctorant : Quan Hong DO

    Financement : 50% Labex CaPPA, 50% Région Hauts de France

    Encadrant: Aberrahman El Bakali, Xavier Mercier
    Laboratoire: PC2A
    Contact: A. El Bakali, 0320434904
    X. Mercier, 0320434904

  • Caractérisation des particules de suies et de leurs précurseurs issus de la combustion de biocarburants. Etude couplée par diagnostics laser in-situ et par prélèvement on-line et désorption laser/ionisation laser/spectrométrie de masse
    Présentation:

    Actuellement, pour la production d’énergie par combustion d’hydrocarbures, l’utilisation de biocarburants de substitution est un enjeu stratégique qui doit permettre de minimiser l’émission de polluants à effet de serre. Des études récentes ont montré que les biocarburants oxygénés produisent des quantités de suies plus faibles et avec des propriétés physico-chimiques différentes des suies produites par les carburants pétroliers conventionnels comme le gazole ou le kérosène.

    L'objectif de cette thèse est d'étudier l'influence de la nature de ces hydrocarbures oxygénés innovants sur la formation des suies dans les flammes, sur la nature de leurs précurseurs gazeux, sur leur oxydation ainsi que sur la composition chimique de surface des particules de suies formées.

    Les fuels étudiés seront enflammés soit directement en phase liquide sous forme d’un spray dans une flamme turbulente, soit pré-vaporisés sous forme d’une flamme laminaire dans un brûleur de référence afin de pouvoir modéliser les cinétiques de formation des suies.

    Les suies et leurs précurseurs (les composés aromatiques polycycliques gazeux) seront cartographiés par diagnostics laser non intrusifs (par fluorescence et incandescence induite par laser), afin de mieux appréhender leurs mécanismes de formation et d’oxydation dans les flammes étudiées.

    Pour étudier la composition chimique de surface des suies (responsable d’un grand nombre de leurs propriétés), les suies seront prélevées par une microsonde au sein des flammes et diluées dans un gaz porteur inerte. Une ligne de transfert sera utilisée pour éviter tout vieillissement dans l’atmosphère. Elle permettra, dans un premier temps, leur dépôt sur un substrat froid directement sous vide. La surface des suies sera analysée par spectrométrie de masse couplée à des étapes de désorption laser et d’ionisation laser afin d’obtenir les distributions en taille des différentes familles moléculaires adsorbées même à l’état de traces. Des schémas d’ionisation innovants (REMPI ou SPI dans l’UV du vide) seront utilisés pour étudier sélectivement les différentes classes de molécules. Dans un second temps, les particules seront étudiées isolées directement dans un faisceau moléculaire.

    Pour caractériser le devenir des particules émises dans l’atmosphère, ces analyses par spectrométrie de masse pourront être comparées à celles obtenues pour des particules de suies produites dans les mêmes conditions mais ayant résidées dans l’atmosphère. Des analyses de surface par TOFSIMS et par thermogravimétrie sont également envisagées.

    La thèse s'intègre dans le cadre du Labex CaPPA au sein du groupe de travail WP5 intitulé « Contributions à l’étude des interactions Aérosols/Nuages/climat ».

    Le candidat devra justifier d’une formation en physico-chimie avec de solides bases en spectroscopie,  combustion, réactivité, analyse de surface et montrer attrait et motivation pour le travail expérimental.

    Mots clés : combustion, biocarburants alternatifs, méthodes d’analyse ultra-sensibles (laser, spectrométrie de masse)

    Programmes de recherche en lien avec le sujet : Labex CaPPA

    Doctorante : Linhdan NGO

    Financement : 50% Labex CaPPA, 50% Lille1

    Encadrant: E. Therssen (PC2A), Y. Carpentier (PhLAM)
    Laboratoire: PC2A
    Contact: Eric Therssen Tel : 03 20 33 64 67
    Yvain Carpentier Tel 03 20 33 64 64

Masters en cours