Journée des doctorants en combustion Gaz de France - Direction de la Recherche 07 Decembre 2006 Université des Sciences et Technologies de Lille Détection des suies et des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP) dans des flammes jet de méthane et de kérosène par couplage de l’Incandescence et de la Fluorescence Induite par Laser Romain Lemaire Sous la direction de Eric Therssen Pascale Desgroux Laboratoire de Physico-Chimie des Processus de Combustion et de l’Atmosphère Centre d’Études et de Recherches Lasers et Applications

Contexte de l’étude Pourquoi ? Comment ? Stratégie de recherche ? Journée des doctorants en combustion 07 Decembre 2006 Contexte de l’étude Baisse du rendement énergétique Pollution atmosphérique Pourquoi ? Euro IV (2005) : 25 mg/km Euro V (2010) : 5 mg/km Combustion riche : Production d’imbrûlés (Suies et Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP)) Développer des méthodes de mesures sensibles Comprendre le mécanisme de formation des suies Comment ? Stratégie de recherche ? Flammes de laboratoire (Hydrocarbures simples (méthane) et application aux carburants moteurs (kérosène et biocarburant)) Techniques : ex situ prélèvements in situ diagnostics laser LII (Incandescence Induite par Laser) : Suies LIF (Fluorescence Induite par Laser) : HAP 2

Sommaire 1) Principe de la LII et interférence entre LII/LIF Journée des doctorants en combustion 07 Decembre 2006 Sommaire 1) Principe de la LII et interférence entre LII/LIF 2) Dispositif expérimental 3) Cartographies quantitatives Suies/HAP dans une flamme jet de méthane 4) Cartographie quantitative des suies dans une flamme jet de kérosène 5) Conclusions et perspectives 3

1) Principe de la LII et interférence entre LII/LIF Journée des doctorants en combustion 07 Decembre 2006 1) Principe de la LII et interférence entre LII/LIF Interaction laser - particule Sublimation de la particule Rayonnement thermique Conduction de chaleur Laser pulsé Absorption de l’énergie laser suie suie suie (LII) Accumulation de chaleur Montée en température 4

1) Principe de la LII et interférence entre LII/LIF Journée des doctorants en combustion 07 Decembre 2006 1) Principe de la LII et interférence entre LII/LIF Expression mathématique du signal LII Loi de Planck appliquée à un corps gris : Fraction volumique de suies notée fv (m3 de suies / m3 de gaz) SLII = K . fv Problématique liée au dosage simultané des suies et des HAP Les HAP absorbent dans l’UV/Visible Une excitation à 532 nm permet d’exciter la fluorescence des HAP (notamment les plus lourds) Pb : Interférence entre LII des suies et LIF des HAP 5

2) Dispositif expérimental Journée des doctorants en combustion 07 Decembre 2006 2) Dispositif expérimental Le brûleur Flamme de méthane (Laminaire) Flamme de kérosène (Turbulente) Possibilité d’étudier des flammes «jet» de tous types d’hydrocarbures gazeux ou liquides Débits Flamme de méthane Flamme de kérosène Carburant 0,10 L/min 29 g/h Gaz d’atomisation (N2) / 0,14 L/min 6

2) Dispositif expérimental Journée des doctorants en combustion 07 Decembre 2006 2) Dispositif expérimental Dispositif d’étude par Incandescence Induite par Laser Mise en forme du faisceau Laser Exemple d’acquisition CCD (Porte de 20 ns) 2 longueurs d’onde d’excitation (532 et 1064 nm) 7

Journée des doctorants en combustion 07 Decembre 2006 3) Cartographies quantitatives Suies/HAP dans une flamme jet de méthane Méthode à 2 couleurs appliquée à la flamme de méthane Laser : 0,2 J/cm2 à 532 nm / 0,4 J/cm2 à 1064 nm 0,2 J/cm2 0,4 J/cm2 Pulse Laser (1064 nm) Pulse Laser (532 nm) Flamme de diffusion méthane S1064nm = LII1064nm = K1064nm . fv S1064nm= LII1064nm LII = K. fv K532nm/K1064nm = 1 S532nm = LII532nmnm+ LIF532nm= K532nm . fv + LIF532nm S532nm= LII532nm+ LIF532nm LIF532nm= S532nm – S1064nm . K532nm/K1064nm 8

Journée des doctorants en combustion 07 Decembre 2006 3) Cartographies quantitatives Suies/HAP dans une flamme jet de méthane Profils LII/LIF de la flamme de méthane 40 mm SUIES 25 mm SUIES + HAP HAP 17 mm Rappel des conditions opératoires CCD : Mesure prompte / Porte de 20 ns Laser : 0,2 J/cm2 à 532 nm 0,4 J/cm2 à 1064 nm Flamme de diffusion méthane 9

Mécanisme de formation des suies [Frenklach, 1984] Journée des doctorants en combustion 07 Decembre 2006 3) Cartographies quantitatives Suies/HAP dans une flamme jet de méthane Calibrage en absolu par Cavity Ring Down Spectroscopy (CRDS) Flammes étudiées ayant de faibles teneurs en suie Méthode d’extinction multi-passage Cartographie de la flamme de diffusion de méthane SUIES HAP Mécanisme de formation des suies [Frenklach, 1984] Illustration du rôle précurseur des HAP dans le processus de formation des suies 10

4) Cartographie quantitative des suies dans une flamme jet de kérosène Journée des doctorants en combustion 07 Decembre 2006 4) Cartographie quantitative des suies dans une flamme jet de kérosène SUIES Cartographie Cartographie quantitative Pulse Laser (1064 nm) Structure de flamme relativement similaire à celle de la flamme de méthane 0,63 J/cm2 des suies HAP Flamme jet de kérosène 11

5) Conclusions et perspectives Journée des doctorants en combustion 07 Decembre 2006 5) Conclusions et perspectives Conclusions : Cartographie quantitative dans des flammes de faibles teneurs en suies et HAP Méthode opérationnelle dans une large gamme de flammes axisymétriques Perspectives : Application actuellement développée : analyse de la nature des HAP adsorbés à la surface des suies prélevées dans des zones parfaitement caractérisées (HAP et suies) des différentes flammes. Détection ultra sensible et sélective d’HAP adsorbés à la surface de suies, couplée à une détection in situ par diagnostics Laser Application à d’autres types de carburant : Biocarburants 12

Principe de la LII et interférence entre LII/LIF Journée des doctorants en combustion 07 Decembre 2006 Principe de la LII et interférence entre LII/LIF Caractéristiques spectrales : Spectres LII à 532 et 1064 nm C2 1064 nm 532 nm 300 400 500 600 700 nm Radiation thermique (LII) Signal spectral large bande [300-800 nm] Superposition des bandes de Swan de C2 à haute énergie 13

Etalonnage par CRDS Dispositif d’étude par CRDS 14 (Suie+HAP) (Suies) Journée des doctorants en combustion 07 Decembre 2006 Etalonnage par CRDS Dispositif d’étude par CRDS (Suie+HAP) 1064 nm 532 nm Laser YAG 2ω brûleur détecteur f=100 mm PhD Oscilloscope flamme Faisceau laser (Suies) I0 exp(-t/t) 14

Etalonnage par CRDS Obtention des profils de fraction volumique Journée des doctorants en combustion 07 Decembre 2006 Etalonnage par CRDS Obtention des profils de fraction volumique Évolution du temps de vie en fonction de la position radiale du brûleur τ (ns) z Laser x brûleur Pertes par passage (Diffusion négligée) Obtention du profil de fraction volumique de suies intégré le long de la largeur de la flamme Hyp: E(m) = 0,26 [Dalzell, 1969] 15

Mécanisme de formation des suies [Frenklach, 1984] Journée des doctorants en combustion 07 Decembre 2006 3) Cartographies quantitatives Suies/HAP dans une flamme jet de méthane Calibrage en absolu par Cavity Ring Down Spectroscopy (CRDS) Coefficient d’absorption des HAP à 17 mm = 4,4.10-3 cm-1 Fraction volumique de suie à 40 mm = 256 ppb [Bouvier, 2005] Cartographie de la flamme de diffusion de méthane SUIES HAP Mécanisme de formation des suies [Frenklach, 1984] Confirmation du rôle précurseur des HAP dans le processus de formation des suies 16