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

Laboratoire de Physico-Chimie des Processus de Combustion et de l’Atmosphère

Centre d’Études et de Recherches Lasers et Applications

Romain Lemaire

Sous la direction de

Eric Therssen

Pascale Desgroux

Journée des doctorants en combustion

Gaz de France - Direction de la Recherche

07 Decembre 2006

2

Développer des méthodes de mesures sensibles

Comprendre le mécanisme de formation des

suies

Comment ?

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))

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

Contexte de l’étude

2

Journée des doctorants en combustion

07 Decembre 2006

Sommaire

5) Conclusions et perspectives

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

3

Journée des doctorants en combustion

07 Decembre 2006

1) Principe de la LII et interférence entre LII/LIFInteraction laser - particule

suie

Laser pulsé

Absorption de l’énergie laser

suie

Sublimation de la particule

Rayonnement thermique

Conduction de chaleur

suie

Accumulation de chaleurMontée en température

(LII)

4

Journée des doctorants en combustion

07 Decembre 2006

1) Principe de la LII et interférence entre LII/LIFExpression mathématique du signal LII

Loi de Planck appliquée à un corps gris :

SLII = K . fv

3

1

5)(

)(1)

)(exp(

1),( tr

mE

tkT

hctI pp

em

em

emememi N

Fraction volumique

de suies notée fv

(m3 de suies / m3 de gaz)

Problématique liée au dosage simultané des suies et des HAPLes 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

Journée des doctorants en combustion

07 Decembre 2006

2) Dispositif expérimental Le brûleur

Possibilité d’étudier des flammes «jet» de tous types d’hydrocarbures

gazeux ou liquides

Flamme de kérosène

(Turbulente)

Flamme de méthane

(Laminaire)

DébitsFlamme de

méthaneFlamme de kérosène

Carburant 0,10 L/min 29 g/h

Gaz d’atomisation (N2)

/ 0,14 L/min

6

Journée des doctorants en combustion

07 Decembre 2006

2) Dispositif expérimental Dispositif d’étude par Incandescence Induite par Laser

2 longueurs d’onde d’excitation (532 et 1064 nm)

Exemple d’acquisition CCD (Porte de 20 ns)

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Journée des doctorants en combustion

07 Decembre 2006

Mise en forme du faisceau Laser

3) Cartographies quantitatives Suies/HAP dans une

flamme jet de méthane Méthode à 2 couleurs appliquée à la flamme de méthane

Flamme de diffusion méthane

Pulse Laser (1064 nm)

S1064nm= LII1064nm

Pulse Laser (532 nm)

S532nm= LII532nm+ LIF532nm

LII = K. fv S1064nm = LII1064nm = K1064nm . fv

S532nm = LII532nmnm+ LIF532nm= K532nm . fv + LIF532nm

LIF532nm= S532nm – S1064nm . K532nm/K1064nm

K532nm/K1064nm = 1

0,4 J/cm20,2 J/cm2

8

Journée des doctorants en combustion

07 Decembre 2006

Laser : 0,2 J/cm2 à 532 nm / 0,4 J/cm2 à 1064 nm

3) Cartographies quantitatives Suies/HAP dans une

flamme jet de méthane Profils LII/LIF de la flamme de méthane

Flamme de diffusion méthane

HAP

SUIES + HAP

SUIES

17 mm

25 mm

40 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

0,0E+00

5,0E+04

1,0E+05

1,5E+05

2,0E+05

2,5E+05

3,0E+05

3,5E+05

4,0E+05

4,5E+05

5,0E+05

-10 -5 0 5 10

X (mm)

Inte

nsi

té d

u s

ign

al (

u.a

.)

1064 nm

532 nm

HAP

0,00E+00

2,00E+05

4,00E+05

6,00E+05

8,00E+05

1,00E+06

1,20E+06

1,40E+06

1,60E+06

-10 -5 0 5 10

X (mm)

Inte

nsi

té d

u s

ign

al (

u.a

.)

1064 nm

532 nm

HAP

0,0E+00

2,0E+05

4,0E+05

6,0E+05

8,0E+05

1,0E+06

1,2E+06

1,4E+06

1,6E+06

-10 -5 0 5 10

X (mm)

Inte

nsi

té d

u s

ign

al (

u.a

.)

1064 nm

532 nm

HAP

9

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

Journée des doctorants en combustion

07 Decembre 2006

4) Cartographie quantitative des suies dans une flamme jet de kérosène

Flamme jet de kérosène

Pulse Laser (1064 nm)

0,63 J/cm2

Cartographie quantitative

des suies

Structure de flamme relativement similaire à celle de la flamme de

méthane

SUIES

Cartographie

HAP

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Journée des doctorants en combustion

07 Decembre 2006

5) Conclusions et perspectives

Cartographie quantitative dans des flammes de faibles teneurs en

suies et HAP

Méthode opérationnelle dans une large gamme de flammes

axisymétriques

Conclusions :

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

Journée des doctorants en combustion

07 Decembre 2006

0.0E+00

5.0E+05

1.0E+06

1.5E+06

2.0E+06

2.5E+06

3.0E+06

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

nm

532nm 40 mJ/pulse

1064nm 50mJ/pulse

bandes de Swan de C2

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

Principe de la LII et interférence entre LII/LIF

Caractéristiques spectrales : Spectres LII à 532 et 1064 nm

Journée des doctorants en combustion

07 Decembre 2006

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Etalonnage par CRDSDispositif d’étude par CRDS

1064 nm

532 nm

Las

er

YA

G2ω

brûleur

détecteur

f=100 mm

PhD

Oscilloscope

flamme Faisceau

laser

détecteur

(Suie+HAP)

(Suies)

LfmE

c

dLK

v

videext

.).(.611.

I0 exp(-t/)

Journée des doctorants en combustion

07 Decembre 2006

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Etalonnage par CRDSObtention des profils de fraction volumique

LfmE

c

dLK

v

videext

.).(.611.

Obtention du profil de fraction volumique de suies intégré le long de la largeur de la flamme

Hyp: E(m) = 0,26 [Dalzell, 1969]

z

brûleur

Laser

x

0

100

200

300

400

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

z (mm)

nsÉvolution du temps de vie en fonction de la position

radiale du brûleur

(ns)

Pertes par passage (Diffusion négligée)

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07 Decembre 2006

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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

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