Kinetic study of ester biofuels in flames

Étude cinétique de la combustion en flammes laminaires de biocarburants de type ester

• Auteur / Autrice : Artëm Dmitriev
• Direction : Pierre-Alexandre Glaude, Denis Knyazkov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 18/12/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Novossibirsk State University (Novossibirsk, Russie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Christine Mounaïm-Rousselle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Alexandre Glaude, Denis Knyazkov, Guillaume Dayma, Natalia Titova
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Dayma, Natalia Titova

Mots clés

Mots clés contrôlés

Flamme

Spectrométrie de masse

Chromatographie en phase gazeuse

Cinétique chimique

Combustion

Biocarburants

Mots clés libres

Combustion

Biocarburant

Chromatographie en phase gazeuse

Spectrométrie de masse à faisceau moléculaire

Flamme prémélangée

Modélisation cinétique chimique

Mécanisme cinétique chimique détaillé

Combustion

Biofuel

Gas chromatography

Molecular beam mass spectrometry

Premixed flame

Chemical kinetic modeling

Detailed chemical kinetic mechanism

Résumé

Le progrès partout dans le monde nécessite une variété de sources d'énergie propre. Les biocarburants liquides de type ester semblent être très efficaces dans ce contexte, car ils sont faciles à utiliser dans les véhicules modernes, ils peuvent être produits à partir de diverses ressources renouvelables et ils offrent des caractéristiques de combustion respectueuses de l'environnement. À cet égard, les esters éthyliques d'acides gras (EEAG) sont considérés comme une classe prometteuse de biocarburants. L'objectif principal de cette thèse était de développer un mécanisme cinétique chimique actualisé de la combustion des EEAG légers jusqu'au pentanoate d'éthyle et de le valider par rapport aux nouvelles données expérimentales sur la structure de flammes laminaires prémélangées à basse pression et pression atmosphérique. Les flammes alimentées par trois EEAG, l'acétate d'éthyle, le butanoate d'éthyle et le pentanoate d'éthyle, ont été étudiées au moyen de la spectrométrie de masse avec faisceau moléculaire et de la chromatographie en phase gazeuse. Plus de 40 espèces stables et intermédiaires comprenant des radicaux ont été détectées et quantifiées dans les flammes. Une analyse complète du mécanisme développé a été réalisée. La thèse se compose de 3 chapitres. Le premier chapitre présente une revue bibliographique. Les études expérimentales et théoriques les plus importantes sur la combustion des EEAG sont discutées. Le deuxième chapitre présente un aperçu des méthodes expérimentales et de simulation utilisées dans la thèse. Des détails sur le développement du mécanisme sont également fournis dans cette partie. Le dernier chapitre présente des résultats expérimentaux et de modélisation sur les esters étudiés en comparaison avec les mécanismes cinétiques de la littérature.

Global progress all over the world requires a variety of clean energy sources. Liquid ester-based biofuels seem to be very effective in this context since they are easy to use in modern vehicles, they can be produced from a variety of renewable resources, and they provide environmentally friendly combustion characteristics. In this regard, fatty acid ethyl esters (FAEEs) are considered as a promising class of biofuels. The main goal of this thesis was to develop an updated chemical kinetic mechanism of combustion of light FAEEs up to ethyl pentanoate and validate it against the new experimental data on chemical speciation in low and atmospheric pressure premixed laminar flames. The flames fueled by three FAEEs, ethyl acetate, ethyl butanoate and ethyl pentanoate, were investigated by means of molecular-beam mass-spectrometry and gas-chromatography. More than 40 stable and intermediate species including radicals were detected and quantified in the flames. A comprehensive analysis of the developed mechanism was performed. The thesis consists of 3 chapters. In the first chapter a review of literature is presented. The most important experimental and theoretic studies on FAEEs are discussed. The second chapter presents an overview of experimental and simulation methods used in the work. Details on the mechanism development are also provided in this part. The last chapter present experimental and modeling results on the esters studied in comparison with the literature kinetic mechanisms.