Étude expérimentale et numérique des flammes d’éthanol, d’acétaldéhyde et d’acide acétique : effets de leur addition à des flammes riches d’éthylène

(eng) Nowadays, hydrocarbons combustion is the main way to generate energy for human activities. However, the intensive use of the combustion leads to abundant emission of pollutants. CO2 is a pollutant inevitably formed in hydrocarbon flames. This chemical compound is a greenhouse effect gas, which is responsible to the detected global warming. Biofuels, such is ethanol, are actually widely used, as they do not increase the total quantity of green house effect gases in the atmosphere. Indeed, these fuels can be produced from biomass, which have absorbed equivalent amounts of CO2 than those emitted during their combustion. Mainly for this reason, the use of biofuels is currently in constant progress. Therefore, the understanding of each step of ethanol combustion and the development of an accurate oxidation mechanism are of high importance. So, one of the aims of this study consists to investigate ethanol and acetaldehyde combustion, this second chemical compound being an key intermediate specie during the ethanol combustion. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) and soot are also pollutants formed in rich hydrocarbon flames. Their emissions are hazardous as these species are responsible for both health and environmental problems. It has been previously identified that some fuel additives, such as oxygenated compounds, can inhibit the production of those pollutants. The understanding of such process requires fundamental studies of the effects of additives on PAHs and soot formation in flames. So, the second main objective of the present research consists to investigate effects of the addition of oxygenated compounds (ethanol, acetaldehyde and acetic acid) on soot precursors in ethylene flames. To achieve these goals, for each oxygenated fuels, the experimental mole fraction profiles of chemical species (stable, radical and intermediates) have been firstly measured in three flat premixed flames which have different equivalence ratios. Those flames are stabilised at low pressure on a burner. The experimental setup used consists of a molecular beam mass spectrometer system (MBMS) combined with electron impact ionization (EI). Those results give information about chemical process involved during the combustion of those fuels. Then, the effects of the addition of those oxygenated compounds in ethylene flames have been experimentally investigated. Identification and measurement of chemical species in additive/C2H4/O2/Ar flames have been performed by Gas Chromatography at different heights above the burner. This experimental method has allowed the detection of small hydrocarbons, such as PAHs and soot precursors. In order to identify the additive’s effects, those experimental results were compared with data measured in two C2H4/O2/Ar flames. Finally, a kinetic study was conducted in order to simulate all experimental data measured. It required the building of a kinetic mechanism composed of 857 reactions involving 141 chemical species, by thoroughly reviewing the available literature. This mechanism ensures a reasonably good modelling of the combustion of ethanol, acetaldehyde and acetic acid over the wide range of experimental conditions investigated and are also suitable for the modelling of soot precursors in rich ethylene flames. The validity of the mechanism has also been checked against other experimental results concerning ethanol (oxidation in a JSR at 1 and 10atm, ignition in a shock tube, combustion in partially-premixed, and non-premixed flames, laminar burning velocities). By using this mechanism, the kinetic schemes occurring in these flames have been established and effects of oxygenated additives have been characterised.

(fre) De nos jours, la combustion d’hydrocarbure est la principale voie de production d’énergie pour l’homme. Malheureusement, l’usage intensif de la combustion résulte en d’abondantes émissions de divers composés nuisibles pour l’environnement. Le CO2 fait partie de ceux-ci et est inévitablement formé dans des flammes d’hydrocarbures. Ce composé est un gaz à effet de serre, et une grande partie de la communauté scientifique reconnaît aujourd’hui que l’augmentation des teneurs atmosphériques en ce gaz est un facteur responsable du réchauffement climatique global observé. Afin de ne plus accentuer les concentrations atmosphériques de ce gaz, il a été envisagé d’utiliser des biocarburants tels que de l’éthanol. Comme ceux-ci sont produits à partir de biomasse ayant préalablement absorbé du CO2, l’utilisation de tels combustibles ne doit a priori pas engendrer une accumulation de ce gaz. Principalement pour cette raison, l’utilisation de biocarburants est en progression continuelle ces dernières années. Dès lors, il est important d’améliorer la compréhension des processus chimiques intervenant lors de la combustion de l’éthanol. Dans cette optique, cette étude s’est intéressée à la combustion de l’éthanol et de l’acétaldéhyde qui est un intermédiaire-clé lors de la combustion de ce biocarburant. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques et les particules de suie sont deux autres types de polluants couramment produits dans des flammes. Leur émission est jugée problématique principalement par le fait que ces composés sont cancérigènes. Une des solutions envisagées pour limiter leur formation est d’utiliser des additifs aux combustibles traditionnels, dont notamment des composés oxygénés. Cependant, le mode d’action de tels additifs n’est actuellement pas clairement identifié. C’est pourquoi la deuxième partie de cette étude s’est intéressée aux effets d’ajout de trois composés oxygénés (éthanol, acétaldéhyde et acide acétique) dans des flammes riches d’éthylène. Les objectifs des recherches qui ont été entreprises sont donc d’étudier successivement la combustion de l’éthanol, de l’acétaldéhyde et de l’acide acétique dans des flammes où ils sont l’unique combustible, et d’ensuite caractériser leur impact lorsqu’ils complètent de l’éthylène comme combustible de flammes riches. Dans un premier temps ces recherches se sont attelées à acquérir des donnés expérimentales propres à ces systèmes. Ainsi, pour chaque composé oxygéné, trois flammes plates, laminaires et unidimensionnelles ont été stabilisées à basse pression sur un brûleur. Leurs compositions ont été déterminées par spectrométrie de masse à échantillonnage par faisceau moléculaire (MBMS). Il a ainsi été possible de déterminer la structure de ces flammes, c’est-à-dire l’évolution des fractions molaires de leur constituant en fonction de la distance au brûleur. L’interprétation de ces résultats a permis de mettre en évidence quelques informations sur les processus chimiques intervenants dans ces flammes. Par la suite, chacun de ces composés a été étudié lorsqu’ils sont ajoutés dans les gaz frais de flammes riches d’éthylène. L’identification et la quantification des espèces présentes dans ces flammes ont été réalisées par chromatographie en phase gazeuse. Cette technique expérimentale a permis de suivre l’évolution des fractions molaires en fonction de la distance au brûleur d’un grand nombre de composés chimiques dont certains précurseurs à la formation des hydrocarbures aromatiques polycycliques. Ces résultats expérimentaux ont été comparés à ceux mesurés dans deux flammes de référence brûlant uniquement de l’éthylène. L’efficacité de chacun des composés oxygénés pour diminuer la production de ces précurseurs a ainsi pu être caractérisée. Dans un second temps, cette étude a visé l’élaboration d’un modèle capable de reproduire toutes les données expérimentales acquises. Cette partie a nécessité le développement d’un mécanisme cinétique dans lequel 141 espèces distinctes réagissent au travers de 857 réactions. Ce mécanisme se base sur plusieurs études antérieures. Il permet globalement de simuler correctement tous les résultats expérimentaux mesurés dans les flammes ainsi que certaines autres mesures précédemment publiées et propres à la combustion ou à l’oxydation de l’éthanol (profils mesurés en réacteur, délais d’auto-inflammation,…). Sur base de ce mécanisme, il a finalement été possible d’identifier tous les processus chimiques intervenant lors de la combustion des différents combustibles étudiés et de caractériser l’influence des composés oxygénés dans les flammes riches d’éthylène.