Physico-Chimie de la Combustion

Responsable : Eric THERSSEN
Co-responsable : Pascale DESGROUX

L’Equipe de Recherche "Physicochimie de la Combustion" s’intéresse aux mécanismes chimiques liés à la combustion, qu'il s'agisse de formation et/ou de destruction de polluants (tels que les oxydes d’azote, les suies et leurs précurseurs dans les flammes, ou les hydrocarbures imbrûlés), ou de l’auto-inflammation de combustibles. Pour ce faire, l'équipe déploie une variété de dispositifs expérimentaux équipés de moyens d'analyse chimique et de diagnostics optiques avancés, et emploie ses résultats dans la validation de modèles physico-chimiques de la combustion. Ces recherches trouvent ainsi naturellement leur application dans les problématiques actuelles de réduction des émissions polluantes et d'augmentation de rendement des systèmes basés sur la combustion (moteurs automobiles, aéronautiques, chaudières,...).

Une nouvelle thématique transversale entre les équipes Physico-Chimie de la Combustion et Physico-Chimie de l'Atmosphère, dédiée à l'étude des propriétés hygroscopiques des particules de suies et leur impact sur la formation de glace, est engagée.

Les recherches sont développées au sein de trois axes de recherche :

Axe 1 : Autoinflammation et combustion de basse température
Axe 2 : Flammes : Diagnostics laser et mécanismes chimiques
Axe 3 : Suies et aéronautique

Les Personnels

Chercheurs CNRS : Pascale Desgroux (DR), Alessandro Faccinetto (CR), Xavier Mercier (CR, HDR), Luc-Sy TRAN (CR)
Enseignants-chercheurs Lille1 : Abderrahman El Bakali (PR), Laurent Gasnot (PR), Jean-François Pauwels (PREm), Marc Ribaucour (MCF, HDR), Eric Therssen (PR), Guillaume Vanhove (MCF, HDR)
Personnels ITA-CNRS et IATOS-Lille1 : Nathalie Lamoureux (IR, HDR), Béatrice Lecrenier (T), Olivier Hombert (T), Sébastien Batut (IE), Pascal Demaux (AI)
Post-doctorants : Olivier Carrivain (CLIMIBIO), Yann Fenard (CLIMIBIO), Hwasup Song (Total)
Doctorants : Christopher Bétrancourt (CaPPA/ANR ASMAPE), Quan-Hong Do (CaPPA/Région), Lucia Giarracca (Univ. Lille1/Région), Mamady Keita (IFP-EN), Carolina Sampaio Mergulhao (ADEME/Région Hauts de France), Linhdan Ngo (CaPPA/Univ. Lille1), Junteng Wu (CaPPA)

DR : Directeur de Recherche CNRS ; CR : Chargé de Recherche CNRS ; PR : Professeur des Universités ; PREm : Professeur des Universités Emérite ; MCF : Maître de Conférences ; HDR : Habilité à Diriger des Recherches ; IR : Ingénieur de Recherche ; IE : Ingénieur d'Etude ; AI : Assistant-Ingénieur ; T : Technicien

Principaux Equipements et Savoir-faire

  • Machine à Compression Rapide
  • Brûleurs de prémélange et de diffusion, basse pression et pression atmosphérique
  • Méthodes analytiques (GC-FID/TCD/MS, IRTF)
  • Diagnostics de spectroscopie laser (LIF, CRDS, LII)

Contrats et collaborations en cours

  • Projet ANR ASMAPE
  • Projet ANR CEBIC
  • Contrat industriel Total
  • Contrat de Plan Etat/Région CLIMIBIO
  • Programme européen H2020 PEMS4Nano

Liste des thèses en cours

Etude expérimentale de la formation des HAPs et des suies dans des flammes laminaires de carburants d’intérêt aéronautique et automobile

L’objet de ce travail de thèse est de fournir une base de données expérimentales conséquente pour la mise au point et le développement d’un modèle cinétique détaillé représentatif de la formation des particules de suies dans les processus de combustion d’intérêt aéronautique et automobile. En effet, de nombreuses incertitudes persistent encore quant aux mécanismes chimiques et espèces mises en jeu dans ces processus. Or, face aux réglementations de plus en plus exigeantes en termes de rejet d’émission de particules, il est crucial de réaliser des études précises et quantitatives afin d’aboutir à une meilleure compréhension de ces phénomènes.

Pour ce faire, nous proposons dans ce travail de thèse de mettre en œuvre un certain nombre de techniques expérimentales de pointe, soit classiques comme la chromatographie en phase gaz (GC) pour la mesure des petites espèces hydrocarbonées saturées et insaturées mais aussi d’autres méthodes plus originales comme la fluorescence induite par laser (LIF) en jet froid pour la mesure des composés aromatiques polycliques (HAPs) ou l’incandescence induite par laser (LII) pour la détection des particules de suies. L’ensemble des mesures seront réalisées dans des flammes laminaires de laboratoire avec pour carburant principal le n-butane auquel sera ajouté en proportions variables des composés de type aromatique (n-propyl-benzène), alcane ramifié (isooctane) et naphthénique (n-propyl-cyclohexane). L’objet de ces ajouts étant de définir des carburants « surrogates », c’est-à-dire, présentant des propriétés physico-chimiques se rapprochant de celles des carburants réels (Diesel et Kérosène) mais plus simples à étudier en laboratoire que ces derniers.

Ce projet de thèse est à part égale financé par le labex CAPPA (Chemical and Physical Properties of the Atmosphere) et l’ANR ASMAPE (Modélisation avancée des suies pour les moteurs aéronautiques et à piston) en lien notamment avec l’IFPEN (Institut français du pétrole et des énergies nouvelles).

Mots clés : Carburants - Suies - Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques - Diagnostic Optique - Chromatographie en Phase Gaz

Doctorant : Christopher BETRANCOURT

Direction de thèse : Pascale Desgroux, Xavier Mercier

Programme de recherche en lien avec le sujet : ANR ASMAPE, LaBEX CaPPA

Financement : 50% ANR ASMAPE - 50% Labex CaPPA.

Soutenance prévue en 2017.

Impact du dihydrogène sur les processus de nucléation des particules de suies

Des études récentes ont pu montrer que l’impact cinétique du dihydrogène sur l’oxydation du méthane dans les conditions de flamme ne se traduit pas nécessairement par la réduction d’espèces hydrocarbonées. Dans certaines conditions, l’effet peut même être le contraire, et notamment sur la formation des premiers cycles aromatiques et ses précurseurs aliphatiques. Ce rôle ambigu de l’hydrogène doit être davantage exploré sur le plan expérimental et de modélisation d’autant plus que l’on note un regain d’intérêt croissant par rapport à l’hydrogène ces dernières années. Dans ce projet de thèse, il est proposé des mesures locales très fines (profils de température et de fraction molaires d’espèces chimiques, profils de fraction volumique des suies) dans des flammes de prémélanges bien contrôlées. Ces mesures seront notamment réalisées sur des flammes d’hydrocarbures supérieurs (butane) dites de « nucléation » en présence et en absence d’hydrogène en proportions variable. Il semble en effet acquis que l’impact de l’hydrogène est fortement lié à sa teneur présente dans le système réactif initial au voisinage de la stœchiométrie. Il serait intéressant d’examiner cet impact dans le cas des flammes à la limite de production des particules des suies. Les études en cours au laboratoire semblent dégager une propriété particulière de ces flammes, à savoir que les particules qui y sont produites ne subissent aucune croissance. En supposant  que cette caractéristique est engendrée par un état stationnaire entre les processus de formation des premières particules de suies d’une part, et des processus d’oxydation d’autre part, l’enrichissement des flammes en dihydrogène devrait perturber fortement ce supposé état stationnaire. La présence de H2 devrait en effet impacter significativement l’évolution relative des espèces actives notamment H et OH. Il est ainsi attendu que les processus d’oxydation soient défavorisés en raison d’une réduction des radicaux OH et que les processus de croissance par réaction de surface par le mécanisme HACA soient au contraire favorisés, en raison notamment de la forte sensibilité de ce dernier au rapport H/H2.     

L’aspect expérimental reposera sur des techniques classiques telles que le couplage GC-M, mais aussi sur des techniques de diagnostic laser comme la LIF ou LII. Ces résultats permettront de poursuivre le développement et la validation d’un mécanisme cinétique détaillé en phase gaz et le développement d’un code de suies basé sur la méthode de sections.

Le candidat recherché devra justifier d’une formation en chimie, physique ou physico-chimie avec de solides bases en cinétique chimique.

Mots clés : Suies - Hydrocarbures aromatiques polycycliques -  Flammes - Hydrogène – Modélisation cinétique.

Programmes de recherche en lien avec le sujet :  Labex CaPPA  -  CPER CLIMIBIO

Doctorant : Quan Hong DO

Direction de thèse : A. El Bakali, X. Mercier

Financement : 50% Labex CaPPA, 50% Région Hauts de France

Impact de l’oxydation de biocarburants sur la formation des oxydes d’azote

L’utilisation de biocarburants est préconisée pour la réduction des gaz à effet de serre (GES) et les émissions polluantes (HAP, suie,…). Les biocarburants de première génération (issus des ressources vivrières telles le blé ou le colza) sont toutefois controversés car ils engendrent des problèmes d’ordre économique et de ressources des sols. Les biocarburants de deuxième et troisième génération (issus respectivement de la biomasse et des algues) sont une alternative. La transformation chimique de la biomasse (composée de lignocellulose) conduit à la synthèse de biocarburants et d’éthanol qui sont introduits directement seuls ou comme additifs aux carburants classiques dans les brûleurs ou moteurs. On retrouve dans ces biocarburants la présence d’éléments oxygénés présents dans la lignocellulose (acides carboxyliques, cycliques oxygénés, furanes,…).

A ce jour, très peu de données sont disponibles dans la littérature sur l’impact de la combustion de ces biocarburants sur la formation des oxydes d’azote (émissions polluantes sur le plan sanitaire et environnemental). Les NOx sont formés selon différentes voies cinétiques. Alors que la voie « dite du NO thermique » est fortement liée au dégagement de chaleur dans le milieu réactionnel, les autres voies de formation sont dépendantes de la nature du combustible et ne sont pas bien établies sur le plan réactionnel.

Dans le cadre de ce projet, il s’agit d’étudier l’oxydation de molécules oxygénées modèles de la ligno-cellulose dans des flammes laminaires stabilisées à basse pression. Les mesures d’espèces au sein des flammes seront réalisées en associant différentes techniques. Au sein du laboratoire PC2A de l’université Lille1, nous avons acquis une forte expertise dans le développement des diagnostics de spectroscopie laser nécessaires à la mesure de concentration absolue d’espèces clés qui interviennent le processus chimique de formation du NO. Ces techniques sont couplées à des méthodes analytiques classiques telles que la chromatographie en phase gaz afin de mesurer des espèces stables nécessaires. Ces données expérimentales obtenues dans différentes conditions sont nécessaires à la validation de mécanismes cinétiques détaillés. Ces mécanismes permettront d’analyser l’impact de l’oxydation en condition moteur de ces composés sur la formation des NOx.

Mots clés : NOx, combustion, biocarburants oxygénés, diagnostics spectroscopie laser

Doctorante : Lucia GIARRACCA

Direction de la thèse : P. Desgroux, L. Gasnot

Programme de recherche en lien avec le sujet : CPER CLIMIBIO (2014-2020)

Financement : 50% Président Lille1 - 50% Région Hauts de France

Soutenance prévue en 2018.

Etude de l’oxycombustion de solides pulvérisés en vue de faciliter le captage du CO2 -  Application à l’étude des processus physico-chimique de formation de polluants aromatiques et particulaires par diagnostics laser

Le charbon est un combustible fossile qui demeure très couramment employé dans le secteur industriel. Il assure près de 30 % du bilan énergétique primaire mondial et est utilisé pour produire près de 66 % de l’acier et 41 % de l’électricité. Les prévisions actuelles tendent de plus à montrer que le charbon continuera d’occuper une place essentielle dans le mix énergétique des prochaines décennies. L’utilisation accrue de ce combustible se heurte toutefois à la problématique de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Le recours à des procédés de capture et de séquestration du CO2 tels que l’oxycombustion de même que le fait de substituer une partie du charbon par de la biomasse (ayant captée du CO2 tout au long de sa croissance) constituent des solutions clairement envisagées afin de limiter l’impact environnemental des procédés de production d’énergie. Il n’en demeure pas moins que le recours à des atmosphères de combustion enrichies en oxygène tout comme l’utilisation de combustibles biosourcés vont tendre à modifier les processus de dévolatilisation et d’oxydation des semi-cokes, les températures de combustion ainsi que les caractéristiques des polluants émis. Des recherches sont donc nécessaires et ce tout particulièrement afin de lever les verrous scientifiques relatifs à la compréhension des processus complexes intervenant dans la formation des particules fines et ultrafines (telles que les suies) dont les émissions en sortie des systèmes de combustion font l’objet de réglementations accrues.

Le présent programme de thèse vise ainsi à étudier l’influence de la teneur en oxygène du milieu réactionnel de même que l’impact de la nature du combustible (composition et teneur en matières volatiles) sur les mécanismes physico-chimiques impliqués dans la formation des particules de suie et des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP). Pour ce faire, un brûleur hybride de laboratoire permettant de reproduire des conditions de chauffe industrielle sera utilisé afin de stabiliser des flammes jets de combustibles solides pulvérisés. Des diagnostics laser faisant notamment appel au couplage des techniques d’incandescence et de fluorescence induites par laser (LII/LIF) seront en outre implémentés afin d’étudier et de caractériser de façon in-situ les processus conduisant à la formation des suies et de leur précurseurs aromatiques. L’analyse et la modélisation des signaux collectés dans les flammes devraient enfin permettre d’obtenir des informations relatives aux propriétés physiques des suies, ceci contribuant à établir une base de données inédite et nécessaire afin de mieux appréhender les mécanismes conduisant à la production des particules fines dans les systèmes de production d’énergie alimentés par des combustibles solides tels que le charbon ou le bois. 

Mots clés : Charbon, Biomasse, CO2, Oxycombustion, Suies, Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques, Diagnostics Laser

Doctorante : Annabelle HOSPITAL

Direction de thèse : Eric Therssen (PC2A), Romain Lemaire (DEI Mines Douai)

Financement : Bourse Ecole des Mines de Douai / région Hauts de France.

Soutenance prévue en 2017.

Etude expérimentale de la cinétique de combustion de biocarburants issus de la biomasse lignocellulosique à hautes pressions

Afin de réduire la consommation et les émissions polluantes (NOx, suies) des moteurs à combustion interne, les technologies récentes visent à un fonctionnement à des températures et des concentrations en carburant réduites. Ces choix ont motivé la recherche dans le domaine complexe de la combustion aux basses températures (en dessous de 1000 K). Les mécanismes chimiques associés sont également responsables de la formation d’hydrocarbures imbrûlés que l’on retrouve à l’échappement. Pour faciliter l'émergence de vecteurs énergétiques alternatifs issus de la
biomasse, des modèles prédictifs doivent ainsi être construits et validés. En particulier, il convient de considérer les progrès récents dans la production de carburants liquides à partir de la biomasse lignocellulosique. Afin d'éclairer les mécanismes chimiques de la combustion de ceux-ci, des études expérimentales seront menées à l'aide d'une Machine à Compression Rapide (MCR). Ce réacteur de laboratoire permet d'approcher les conditions de fonctionnement d'un moteur (températures allant de 600 à 1000 K, pressions de 1 à 30 bar). Cela permet à la fois la mesure de délais d'auto-inflammation, mais aussi de prélever le milieu réactif, et ainsi d'acquérir des données de validation des modèles cinétiques globales (délais) et détaillées (profils d'espèces), ce qui n'est possible à l'heure actuelle que dans deux dispositifs au monde. Dans un premier temps, une étude systématique sur les espèces d’intérêt potentiel sera effectuée, par le biais de la mesure de délais d’inflammation. Ces résultats seront utilisés pour identifier des molécules d’intérêt, pour lesquelles une étude détaillée de la formation d’intermédiaires et de modélisation sera effectuée.

Mots clés : Biocarburants, Biomasse lignocellulosique, Combustion, Cinétique Chimique, Moteurs

Doctorante : Carolina SAMPAIO MERGULHAO

Direction de thèse : Guillaume Vanhove

Financement : ADEME / Région Hauts de France.

Soutenance prévue en 2020.

Formation des traînées de condensation d’avion : étude expérimentale et théorique des mécanismes de nucléation hétérogène sur les suies émises par les moteurs d’avion

 

Contexte. Les traînées de condensation, formées dans le sillage des moteurs d’avion lorsque l'atmosphère est suffisamment froide et humide, résultent en grande partie de la formation de noyaux de glace activée par un processus de nucléation hétérogène entre l’eau et les aérosols émis par les moteurs (essentiellement des particules de suie). Ces traînées subsistent lorsque l'air est sursaturé en humidité et peuvent évoluer en voiles persistants prenant la forme de cirrus lorsque les conditions thermodynamiques et d’hygrométrie sont favorables, notamment dans les zones à fort trafic aérien. Ces modifications de la couverture nuageuse sont une contribution possible de l'aviation au forçage climatique. En effet, ce phénomène, encore mal connu, modifie l’albedo de l’atmosphère et est à prendre en compte dans le bilan énergétique lié au réchauffement climatique.

Objectif. L’objectif de la thèse est d’étudier les processus de nucléation hétérogène responsables de la formation de noyaux de glace et de gouttelettes d’eau surfondue dans le sillage des moteurs d’avion. Il vise à combler l’absence de connaissance sur l’impact de la nature des suies sur la vitesse de nucléation de la glace et constitue un sujet crucial pour la compréhension (et la limitation) de la formation des traînées de condensation.

Programme. L’étude s’appuiera sur l’utilisation d’un réacteur de noyaux de glace : Lille Ice Nucleation Chamber (LINC), récemment développé au PC2A, et dont le but est de mimer à petite échelle le processus de nucléation de noyaux de glace en conditions de haute troposphère. Les expériences dans le LINC consisteront à injecter des particules de suie représentatives de suies d’avion dans une chambre à très basse température maintenue à des degrés de sursaturation en glace/eau. On étudiera l’efficacité et la vitesse de la nucléation des particules de glace en fonction de la nature des suies (taille, composition chimique de surface). La morphologie et structure des noyaux de glace sera étudiée en parallèle. Les données expérimentales ainsi obtenues permettront, au cours de la thèse, d’élaborer des modèles représentatifs des processus hétérogènes eau/suie intervenant dans la nucléation de la glace dans les conditions thermodynamiques et d’hygroscopie variables de la haute troposphère.

Sur le plan national, cette étude s’inscrit dans le projet structurant commun MERMOSE du Conseil Stratégique pour la Recherche Aéronautique Civile Française (CORAC). Sur le plan régional, elle s’inscrit dans le cadre du groupe de travail WP5 du LABEX CaPPA (http://labex-cappa.fr) et du CPER CLIMIBIO.

Mots clés : aéronautique, climat, cinétique hétérogène, thermodynamique.

Doctorant : Junteng WU

Direction de thèse :

Programme de recherche en lien avec le sujet : labex CaPPA, Workpackage 5

Financement : 50% University Lille + 50% Labex CaPPA

Soutenance prévue en 2018.

Liste des Post-Docs en cours

Etude spectrale de HAPs formés en flammes suitées par LIF en jet refroidi

Présentation du poste :

Soot particles are known to be strongly interconnected to the formation of PAHs in flames which are considered to be the main precursors of these particles. In the PC2A laboratory, we have developed a laser based method to selectively measure PAHs. This method, named jet cooled laser induced fluorescence relies on the sampling of the species from the flame through a microprobe and their cooling inside a free jet expansion. In these conditions of low temperature and pressure, PAH spectra become structured which allows the use of the laser induced fluorescence method for their selective and quantitative measurement with a detection limit of a few tens of ppb, according the species.

The investigations will be mainly conducted in premixed flames (flat and laminar) but some possibilities of measurement in diffusion flames and the jet stirred reactor are also envisaged. The data obtained from these experiments will be used to validate a detailed kinetic model previously developed in our laboratory.

Responsable scientifique :  Xavier Mercier

Projet : CPER CLIMIBIO

Personne recrutée : Olivier Carrivain

Prise de fonction : Septembre 2016

Etude cinétique de combustion de biocarburants

Présentation du poste :

Titulaire d'une thèse de doctorat et spécialisé en cinétique chimique appliquée à la combustion. Le chercheur effectuera une étude expérimentale de la cinétique de combustion d'un biocarburant dont les résultats serviront à la validation d'un modèle thermocinétique. Ce modèle aura pour but d'être un outil prédictif de la combustion de ce biocarburant dans les moteurs thermiques et de nouvelle génération.

Responsable scientifique : Guillaume Vanhove

Projet : CPER CLIMIBIO (WP5)

Personne recrutée : Yann Fenard

Prise de fonction : 12/01/2017

Mesure de délais d'auto-inflammation de carburants automobiles

Présentation du poste :

Responsable scientifique : Guillaume Vanhove

Personne recrutée : Hwasup Song

Prise de fonction :