Etude Théorique des Arcs Plasma Thermiques à Très Hautes Pressions dans la Perspective des Applications à la Pyrolyse des Hydrocarbures

Theoretical Study of Thermal Plasma Arcs at Very High Pressures in The Perspective of Hydrocarbon Pyrolysis Applications

• Auteur / Autrice : Jad Diab
• Direction : Laurent Fulcheri
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 03/01/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Energétique et Procédés
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Mines Paris-PSL

Mots clés

Mots clés libres

Plasma

Haute pression

Étude Théorique et Expérimentale

Plasma

High pressure

Theoretical and Experimental study

Résumé

Utilisant l'électricité à faible teneur en carbone, la technologie plasma émerge comme une solution pour les défis énergétiques et environnementaux futurs. Les plasmas fournissent une source d'énergie à haute température robuste, flexible et contrôlable sans émissions directes de CO2. Ils offrent une enthalpie ajustable et peuvent fonctionner dans une large gamme de conditions, améliorant les rendements de conversion et réduisant l'impact environnemental des processus industriels traditionnels. Cette thèse se concentre sur les arcs thermiques pour la pyrolyse des hydrocarbures, coproduisant de l'hydrogène et du noir de carbone. Développée par Mines Paris et Monolith, cette méthode montre un potentiel prometteur pour la décarbonisation et la production de produits à valeur ajoutée. Une analyse du cycle de vie révèle que l'utilisation d'hydrocarbures comme le méthane, l'éthane et le méthyl-oléate dans ce processus aboutit à une intensité carbone environ dix fois plus faible que l'hydrogène gris conventionnel et comparable à l'électrolyse, mais avec une consommation d'énergie 3 à 5 fois moindre. La plupart des recherches sur les plasmas thermiques ont été menées à pression atmosphérique, avec peu d'études à des pressions supérieures à 1 bar, principalement au milieu du XXe siècle pour les applications aérospatiales et de soudage sous-marin. Travailler à haute pression peut réduire le volume des installations et les coûts, et est nécessaire pour certaines applications comme le soudage sous-marin et l'aérospatiale. Ce projet explore les arcs plasma thermiques à des pressions supérieures à 1 bar, fournissant une revue de la littérature complète et identifiant des hypothèses sur l'impact de la pression sur les caractéristiques des arcs. Des modèles analytiques et numériques ont été développés pour valider ces hypothèses, tels que (1) le modèle de canal d'arc et (2) un modèle magnétohydrodynamique (MHD) sur Ansys Fluent. Les conclusions finales sont que la pression : -Constricte et restreint l'arc thermique -Augmente la tension (et donc la puissance) proportionnellement à P^0.3 à P^0.4 -Réduit les vitesses des jets -Augmente significativement le rayonnement jusqu'à ce qu'il devienne le mécanisme de transfert dominant -Réduit la température du cœur de l'arc -Augmente l'érosion des électrodes Un banc plasma triphasé à haute pression a été conçu et construit, mais les expériences n'ont pas encore été réalisées. Globalement, cette recherche met en évidence les avantages et les défis des systèmes plasma à haute pression et valide la performance environnementale de l'utilisation du plasma thermique pour la pyrolyse des hydrocarbures, ouvrant la voie à de futures études.

Using low-carbon electricity, plasma technology is emerging as a solution for future energy and environmental challenges. Plasmas provide a robust, flexible, and controllable high-temperature energy source without direct CO2 emissions. They offer tuneable enthalpy and can operate under a wide range of conditions, improving conversion yields and reducing the environmental impact of traditional industrial processes. This thesis focuses on thermal arcs for hydrocarbon pyrolysis, co-producing hydrogen and carbon-black. Developed by Mines Paris and Monolith, this method shows promise for decarbonization and producing value-added products. A life cycle assessment reveals that using hydrocarbons like methane, ethane, and methyl-oleate in this process results in carbon intensity roughly ten times lower than conventional gray hydrogen and comparable to electrolysis, but with 3-5 times less energy consumption. Most thermal plasma research has been at atmospheric pressure, with few studies at pressures above 1 bar, primarily from the mid-20th century for aerospace and underwater welding. Operating at high pressure can reduce facility volume and costs and is necessary for certain applications like underwater welding and aerospace.This project explores thermal plasma arcs above 1 bar, providing a comprehensive literature review and identifying hypotheses about the impact of pressure on arc characteristics. Analytical and numerical models were developed to validate these hypotheses, such as a (1) Channel Arc Model and (2) a MagnetoHydroDynamic MHD model on Ansys Fluent. The final conclusions are that pressure: -Constricts and restrains the thermal arc -Increases voltage (and in turn power) proportionally to P^0.3 to P^0.4 -Reduces jet velocities -Significantly increases radiation up until it becomes the dominant transfer mechanism -Reduces the core arc temperature -Increases electrode erosion A high-pressure three-phase plasma bench was designed and constructed, but experiments are yet to be conducted.Overall, this research highlights the benefits and challenges of high-pressure plasma systems and validates the environmental performance of thermal plasma for hydrocarbon pyrolysis, paving the way for future studies.