Optimisation de réacteurs à plasmas non-thermiques pour le traitement des oxydes d'azote

Non-thermal plasma reactor optimizations for nitrogen oxide treatments

• Auteur / Autrice : Yoann-nicolas Jaffré
• Direction : Abderrahmane Beroual, N'gui Thomas Aka
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Electrotechnique et Automatique
• Date : Soutenance le 07/10/2010
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Jury : Président / Présidente : Serge Agnel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles Joubert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Brosseau, Olivier Eichwald

Mots clés

Mots clés contrôlés

Champs électriques

Plasmas (gaz ionisés)

Oxydes d'azote

Mots clés libres

Champs électriques

Haute tension

Plasmas

Energie

Réacteur

Barrière électrique

Etude expérimentale

Dépollution

Electrotechnique

Electric fields

High voltage

Plasmas

Energy

Reactor

Dielectric barrier

Experimentations

Depollution

Electrical engineering

Résumé

Malgré les récentes avancées technologiques, les combustions thermiques des véhicules génèrent toujours trop de gaz polluants et les systèmes purement catalytiques ne parviennent pas à les traiter efficacement pour toutes les phases de fonctionnement des moteurs. Les oxydes d’azote font partie des gaz polluants les plus préoccupants, pour lesquels il est urgent de trouver une solution. Ce travail est dédié à la mise en œuvre d’une de ces solutions par l’utilisation des plasmas non-thermiques. La maîtrise et la compréhension des décharges dans les gaz permettent de générer des plasmas non-thermiques, où seuls les électrons sont portés à haute température. Les traitements par plasmas non-thermiques ne provoquent pas d’échauffement significatif du gaz, mais produisent néanmoins des modifications moléculaires importantes. Sous l’influence de champs électriques intenses, et selon la composition initiale des gaz, les oxydes d’azote sont oxydés ou réduits. Afin de modifier favorablement la réactivité des gaz, différentes configurations géométriques de réacteurs ont été optimisées et réalisées. L’optimisation de chaque géométrie est basée sur des calculs en champ électrostatique, pour lesquels l’amplitude de la tension appliquée est inférieure à 20 kV. Certains réacteurs sont pourvus d’une barrière diélectrique, dont la disposition, les dimensions et la nature du matériau sont variables. Un banc expérimental spécifique a été réalisé pour évaluer les performances des réacteurs sur le traitement des oxydes d’azote. différentes sources de tension ont été testées. L’analyse des décharges s’appuie sur la mesure des tensions et des courants. Les expériences ont montré que pour une géométrie fil-cylindre, associée à une source de tension AC moyenne fréquence appropriée, la réduction des oxydes d’azote dans du diazote est proche de 80 %.

Despite recent technological advances, thermal combustion in vehicles still generates a large amount of polluting gases that pure catalytic systems are unable to treat efficiently during the various phases of motor function. Nitrogen oxides are among the more problematic of the polluting gases, and a solution for their removal is critical. This work is aimed at the implementation of a solution using non-thermal plasma. The control and understanding of electrical discharges in gas enables to generate non-thermal plasmas, where only the electrons are raised to a high temperature. A non-thermal plasma treatment does not significantly heat the gas, but it still triggers important molecular changes. Under the influence of intense electric fields and depending on the initial gas composition, nitrogen oxides are either oxidized or reduced. In order to increase the gas reactivity, different geometric configurations of the reactors have been optimized and implemented. The optimization of each configuration is based on calculations of the electrostatic field, for which the amplitude of applied voltage was kept lower than 20 kV. Some of the reactors were constructed with dielectric barriers with varying arrangements, sizes, and materials. To evaluate reactor treatment efficiency of nitrogen oxides, a specialized experimental bench was constructed. Different voltage sources were tested, and the discharge was analyzed via voltage and current measurements. The experiments showed that 80 % of the nitrogen oxides in nitrogen could be reduced usinga wire-cylinder configuration with a suitable intermediate frequency AC voltage source.