Etude des flammes non-prémélangées de biogaz assistées par plasma

Study of plasma-assisted non-premixed biogas flames

• Auteur / Autrice : Ahlem Ghabi
• Direction : Toufik Boushaki, Éric Robert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance le 05/12/2023
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...) - Groupe de recherches sur l'énergétique des milieux ionisés. UMR 7344 (Orléans ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Bénédicte Cuenot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pablo Escot Bocanegra
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Deanna Lacoste, Thierry Schuller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydes d'azote

analyse

Gaz de combustion

Vélocimétrie par images de particules

Spectroscopie d'émission optique à source plasma

Chimiluminescence

Plasmas (gaz ionisés)

Stabilité

Flamme

Combustion

Biogaz

Recherche

Énergie

Mots clés libres

Combustion assistée par plasma

Combustion de biogaz

Plasma impulsionnel microseconde

Stabilisation des flammes

Emissions polluantes

Plasma-assisted combustion

Biogas combustion

Microsecond pulsed plasma

Flame stabilization

Polluant emissions

Résumé

Le biogaz, essentiellement composé de méthane (CH₄) et de dioxyde de carbone (CO₂), est considéré comme une ressource prometteuse dans le domaine des énergies renouvelables grâce à sa production issue de la décomposition des matières organiques (biomasse, déchets…). Cependant, la présence de taux élevés de CO₂ dans le mélange de biogaz peut entraîner lors de sa combustion des instabilités menant parfois à l'extinction de la flamme, ce qui engendre des risques pour les systèmes énergétiques et limite l'efficacité énergétique globale. L'utilisation de décharges plasmas pour l'assistance et le contrôle de la combustion produit des effets bénéfiques sur la stabilité de la flamme et sur les caractéristiques de combustion. Cette étude a pour but d'évaluer l'impact d'un plasma impulsionnel pour améliorer la stabilité et contrôler les émissions polluantes de la combustion de biogaz. Des investigations sont menées pour caractériser les interactions entre les décharges impulsionnelles et les flammes, en fonction de paramètres liés à la combustion (taux de CO₂ dans le combustible, richesse globale, nombre de swirl) et d'autres liés au plasma (fréquence de répétition des impulsions, amplitude de la tension électrique appliquée aux électrodes du réacteur plasma) pour comprendre leurs influences sur les caractéristiques de la flamme. Trois configurations de système plasma (Arc glissant, Pointe-Tige-Pointe et Tige-Anneau) avec deux types de brûleurs (injection radiale et injection axiale du combustible) ont été étudiées. Différentes techniques et diagnostics optiques ont été mis en œuvre pour mener cette étude : La chimiluminescence sur OH* pour analyser la stabilité et la structure de la flamme ; la spectroscopie d'émission optique pour visualiser et déterminer les espèces créées par le plasma et la flamme ; la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) pour l'étude dynamique de l'écoulement réactif ; l'analyse des gaz brûlés pour la caractérisation des émissions polluantes (NOₓ, CO). Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence les effets de l'utilisation des plasmas impulsionnels microsecondes sur la stabilité de la flamme, les émissions polluantes, les espèces impliquées au niveau du plasma ou/et de la flamme et le champ de vitesse de l'écoulement réactif.

Biogas, mostly composed of methane (CH₄) and carbon dioxide (CO₂), is considered a promising renewable energy resource, due to its production from the decomposition of organic matter (biomass, waste, etc.). However, the presence of high levels of CO₂ in the biogas mixture can lead to combustion instabilities, sometimes resulting in flame extinction, which induces risks for energy systems and limits energy efficiency. The use of plasma discharges to assist and control combustion has beneficial effects on flame stability and combustion characteristics. The aim of this study is to evaluate the impact of a pulsed plasma to improve stability and control pollutant emissions from biogas combustion. Investigations were carried out to characterize the interactions between pulse discharges and flames, as a function of various combustion-related parameters (CO₂ content in the fuel, global equivalence ratio, swirl number) and plasma-related parameters (pulse repetition frequency, amplitude of the electrical voltage applied to the plasma reactor electrodes), to understand their influences on flame characteristics. Three plasma system configurations (Gliding arc, Tip-to-Plane, and Rod-Ring) with two burner types (radial and axial fuel injection) were studied.Various optical techniques and diagnostics have been implemented for this study: Chemiluminescence on OH* to analyze flame stability and structure; Optical emission spectroscopy to visualize and determine the species created by the plasma and flame; Particle Imaging Velocimetry (PIV) for dynamic study of the reacting flow; flue gas analysis to characterize pollutant emissions (NOₓ, CO). The results highlighted the effects of using microsecond pulsed plasmas on flame stability, pollutant emissions, species involved in the plasma and/or flame, and velocity fields of the reacting flow.