Étude de la propension à la suie : impact de l'addition des alcools C3-C5 et de la variation de pression

Soot propensity study : impact of C3-C5 alcohol addition and pressure variation

• Auteur / Autrice : Renaud Jalain
• Direction : Philippe Guibert, Guillaume Legros, Alexis Matynia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance le 12/07/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Djimédo Kondo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Roselyne Friedenberg, Céline Morin, Benedetta Giulia Franzelli
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guillaume Dayma, Xavier Mercier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Flamme

Combustion

Éthylène

Production -- Contrôle

Suie

Mots clés libres

Propension à la production de suie

Mesure d'absorption

Isomère d'alcool

Structure de flamme

Flamme de prémélange

Biocarburants

Flamme de diffusion

Flamme laminaire

Sooting tendency

Alcohol isomers

Laminar flame

Résumé

Ce retour d’expérience scientifique s’intéresse à l’analyse de la propension à la production de suie d’une flamme d’éthylène. L’influence de deux modifications de la flamme a été étudiée : les conséquences de l’ajout d’un dopant oxygéné (alcool), en particulier, l’importance de la structure chimique de la molécule ; puis l’influence de la variation de pression pour une gamme sub-atmosphérique. Nous nous intéressons, dans un premier temps, au dopage de la flamme par les alcools ayant entre 3 et 5 carbones, d’abord en condition riche prémélangée puis non-prémélangée. Les profils de fraction molaire d’hydrocarbures en flamme de prémélange mettent en évidence un comportement commun à l’ensemble des alcools : le type d’alcool pilote grandement la production d’alcènes du même nombre de carbone que l’alcool. Ainsi la production d’alcène en fonction du type d’alcool évolue de la façon suivante : primaire < secondaire < tertiaire. Ces profils sont obtenus par l’analyse (chromatographie en phase gazeuse) de prélèvements gazeux à différentes hauteurs dans la flamme de prémélange. Des modélisations numériques supportent ces résultats expérimentaux, mais les mécanismes en l’état ne permettent pas de reproduire ce comportement. Dans un second temps, l’étude du dopage de flammes non-prémélangées rend compte directement de la propension à la production de suie. Dans cette configuration, le type d’alcool pilote aussi grandement la production de suies, ainsi, la même hiérarchie est retrouvée. Concernant l’influence de la pression, la flamme d’éthylène est soumise à différentes conditions de pression (entre 0,2 et 1 bar) et de débit massique de combustible (entre 1 et 4 mg/s). Le diagnostic optique MAE multi-longueurs d’onde permet d’obtenir les résultats suivants. L’augmentation du débit et de la pression augmente la propension à la production de suie, le taux de croissance est discuté en détail. De plus, la température des suies diminue avec l’augmentation de la pression, notamment à cause des pertes radiatives des suies. Cette baisse de température entraîne une augmentation du temps de résidence, permettant la formation de particules de suies plus matures. L’augmentation de ce temps de résidence, associé à la diminution inhérente de la diffusion avec la pression, amène la flamme à se fermer plus haut. Ainsi, contrairement à un postulat largement répandu, pour la gamme de pression étudiée, la hauteur de flamme dépend de la pression. Les mesures présentées ici pourraient s’avérer utiles pour la validation des modèles numériques s’intéressant à la production de suies.

This scientific report focuses on the analysis of the sooting propensity of an ethylene flame. The influence of two modifications of the flame has been studied : the consequences of the addition of an oxygenated dopant (alcohol), in particular, the importance of the chemical structure of the molecule ; then the influence of the pressure variation for a sub-atmospheric range. In a first step, we investigate the effect of doping the flame with alcohols having between 3 and 5 carbons, first in a rich premixed condition and then in a non-premixed condition. The mole fraction profiles of hydrocarbons in the premixed flame show a common behavior for all the alcohols : the type of alcohol greatly drives the production of alkenes of the same carbon number as the alcohol. Thus, alkene production as a function of alcohol type evolves as follows : primary < secondary < tertiary. These profiles are obtained by analysis (gas chromatography) of gas samples at different heights in the premix flame. Numerical modelling supports these experimental results, but the mechanisms as they stand do not reproduce this behaviour. In a second step, the doping effect is studied in non-premixed flames where the propensity to produce soot can be measured directly. In this configuration, the type of alcohol also greatly drives the production of soot, thus, the same hierarchy is found. Regarding the influence of pressure, the ethylene flame is subjected to different pressure conditions (between 0.2 and 1 bar) and fuel mass flow rate (between 1 and 4 mg/s). Multi-wavelength MAE optical diagnostic is used to obtain the following results. Increasing the flow rate and pressure, both increase the sooting propensity, the growth rate is discussed in detail. In addition, the temperature of the soot decreases with increasing pressure, in part due to radiative losses from the soot. This decrease in temperature leads to an increase in residence time, allowing the formation of more mature soot particles. The increase in this residence time, coupled with the inherent decrease in diffusion with pressure, causes the flame to close higher. Thus, contrary to a widely held assumption, for the pressure range studied, flame height is pressure dependent. The measurements presented here could be useful for the validation of numerical models regarding soot production.