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HAL Id: pastel-00957380 https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00957380 Submitted on 10 Mar 2014 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Étude théorique et expérimentale d’une torche plasma triphasée à arcs libres associée à un procédé de gazéification de matière organique Christophe Rehmet To cite this version: Christophe Rehmet. Étude théorique et expérimentale d’une torche plasma triphasée à arcs libres associée à un procédé de gazéification de matière organique. Autre. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2013. Français. <NNT : 2013ENMP0041>. <pastel-00957380> présentée et soutenue publiquement par Christophe REHMET le 24 septembre 2013 Étude théorique et expérimentale d’une torche plasma triphasée associée à un procédé de gazéification de matière organique. Ecole doctorale n° 432 : Sciences des Métiers de l’ingénieur Doctorat ParisTech T H È S E pour obtenir le grade de docteur délivré par l’École nationale supérieure des mines de Paris Spécialité “Énergétique et procédés” Directeur de thèse : Laurent FULCHERI François CAUNEAU Co-encadrement de la thèse : Frédéric FABRY Vandad ROHANI Jury M. Dominique GOBIN, Directeur de Recherche, ECP-CNRS Président M. Alain GLEIZES, Directeur de Recherche, LAPLACE-CNRS Rapporteur M. Jean-Marie BARONNET, Professeur des Universités, Université de Limoges Rapporteur M. Jean Jacques GONZALEZ, Directeur de Recherche, LAPLACE-CNRS Examinateur M. Juan Pablo TRELLES, Professeur Assistant, University of Massachusetts Lowell Examinateur M. François CAUNEAU, Maître de Recherches, MINES ParisTech Examinateur M. Laurent FULCHERI, Maître de Recherches, MINES ParisTech Examinateur T T H H E E S S E E Mines ParisTech PERSEE - Centre Procédés, Energies Renouvelables et Systèmes Energétiques 1 rue Claude Daunnese 06904 Sophia Antipolis CS 10207 "Point n'est besoin d'espérer pour entreprendre, ni de réussir pour persévérer." Guillaume Ier d'Orange-Nassau (Merci Jean Marie Baronnet de m’avoir insufflé cette citation). Pour mon grand père mineur 4 Remerciements Avant tout, je tiens à remercier mes encadrants : Laurent Fulcheri, François Cauneau, Frédéric Fabry, Vandad Rohani de m’avoir offert l’opportunité de faire cette thèse. Avec le recul, je réalise à quel point ces 3 années ont été intenses et parfois difficiles mais aussi très stimulantes et enrichissantes. Je tiens également à remercier les membres du jury de m’avoir apporté des conseils très avisés afin d’améliorer quelques points de mon manuscrit de thèse. Merci jean Marie Baronnet, Alain Gleizes, Jean Jacques Gonzalez, Dominique Gobin, Juan Pablo Trelles. Je remercie également toutes les personnes avec lesquelles j’ai pu améliorer mon travail. Alexandre Lebouvier qui m’a inculqué son savoir et surtout initié au logiciel Code Saturne ainsi qu’à son utilisation, Clarisse Delalondre et Damien Borel pour leurs aides et leurs apports sur un point délicat de la modélisation : à savoir insérer les électrodes dans le domaine de calcul. Je remercie également Frederic Fabry et σoel Traisnel pour leurs apports sur le développement et l’utilisation du dispositif expérimental. Enfin, je remercie Sabri Takali qui m’a grandement aidé à améliorer et à corriger mes articles ainsi que Laurent Fulcheri. Laurent et François Cauneau vous avez su me guider et m’apporter la lumière dans les moments critiques tout comme Fréderic Fabry. Je remercie également toutes les personnes sans lesquelles notre travail de recherche ne pourrait avancer faute de charges administratives et techniques. Merci donc à : Brigitte, Lylianne, Christine, Marie-Jeanne, Roseline, Lucien, Manu et Laurent ! Enfin, je tiens à remercier toute ma famille, Karen, mon chat pour vos encouragements. Merci aussi à mes amis du laboratoire pour nos discussions techniques et spirituelles autour d’un café ou dans notre petit open space : Benjamin, Arthur, Zhipeng, Didier, Pierre-Yves, Neils, Alexis, Massiel, Yassin, Touria, Christophe, Sabri, William, Fiona et bien d’autres trop nombreux pour être tous cités ici ! 5 RÉSUMÉ : Les torches à arcs plasma sont actuellement utilisées dans de nombreuses applications industrielles pour atteindre des températures nettement supérieures (> 5 000 K) à celle obtenues par la combustion (3 000 K max). Une technologie plasma triphasée avec des électrodes en graphite est en cours de développement au Centre PERSEE MINES ParisTech. Cette technologie diffère sensiblement des technologies à courant continu traditionnelles et vise à dépasser certaines limites des systèmes actuels en termes de robustesse, de coûts d’équipement et d’exploitation pour des applications liées à la conversion et la valorisation de biomasse et déchets. Dans le but d’améliorer la compréhension des phénomènes physiques instationnaires intervenant dans les décharges triphasées, une étude menée en parallèle sur le plan théorique et sur le plan expérimental a été conduite en conditions non réactives (azote et gaz de synthèse). Sur un plan expérimental, cette étude s’est appuyée sur des analyses réalisées avec une caméra ultra rapide (100 000 images par seconde) et l’analyse des signaux électriques. Sur un plan théorique, cette étude a consisté à développer un modèle Magnéto-Hydro- Dynamique (MHD) 3D instationnaire de la zone d’arc dans l’environnement du logiciel Code Saturne® et à effectuer une étude paramétrique basée sur le courant, la fréquence et le débit de gaz plasma. Deux configurations : électrodes coplanaires et électrodes parallèles ont été étudiées. Cette étude a permis de mettre en évidence l’influence des phénomènes électromagnétiques et hydrodynamiques sur le déplacement de l’arc. Dans la configuration coplanaire, les jets aux électrodes semblent jouer un rôle prépondérant sur le mouvement des arcs, les transferts de chaleur dans l’espace inter-électrodes et l’amorçage des arcs. Dans la configuration parallèle, le mouvement des canaux chauds semble être le paramètre dominant. La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux a montré un très bon accord à la fois au niveau du mouvement des arcs et des signaux électriques. ABSTRACT : Arc plasma torches are widely used in industrial applications to reach very high temperature (> 5 000 K). A 3-phase AC plasma technology with consumable graphite electrodes is under development at PERSEE MINES - ParisTech. This technology noticeably differs from the classical DC plasma torches and aims at overcoming a number of limits of plasma systems in terms of reliability, equipment and operating costs. In order to improve the understanding of the unsteady physical phenomena in such plasma systems, a theoretical and experimental study is conducted under non reactive condition (nitrogen, syngas). Experimental study is based on high speed video camera (100 000 frames per second) and electrical signal analyses. Theoretical analysis is based on 3D unsteady Magneto-Hydro-Dynamic (MHD) model of the arc zone using CFD software Code_Saturne®, by a parametric study based on current, frequency and plasma gas flow rate influence. Two configurations: coplanar and parallel electrodes are studied. These studies highlight the influence of electromagnetic and hydrodynamic phenomena on the arc motion. In coplanar electrode configuration, electrode jets appear to be the dominant parameter on the arc motion, heat transfer and arc ignition. In the parallel electrodes configuration, the motion of the hot channel seems to be the key parameter. Comparison between MHD modeling and experimental results shows a fair correlation, both in accordance with the arc behavior and the electrical waveform. Sommaire INTRODUCTION GENERALE .................................................................................................................... 9 I GAZÉIFICATION DE MATIÈRE ORGANIQUE/ DÉCHETS PAR PLASMA ............................ 11 I. 1 INTRODUCTION ................................................................................................................................ 11 I.1.1 La biomasse et les déchets organiques ................................................................................... 11 I.1.2 Procédés de valorisation énergétique de produits organiques ............................................... 11 I.1.3 La gazéification ...................................................................................................................... 13 I. 2. PROCÉDÉS AUTOTHERMIQUES DE GAZÉIFICATION ........................................................................... 16 I. 2.1 Généralités ............................................................................................................................. 16 I. 2.2 Performances chimiques et thermodynamiques ..................................................................... 18 I. 2.3 La problématique des goudrons ............................................................................................. 21 I. 2.4 Conclusion sur les dispositifs autothermiques de gazéification ............................................. 24 I. 3. GAZÉIFICATION PAR PLASMA .......................................................................................................... 25 I.3 1 Avantage de la technologie plasma ........................................................................................ 25 I.3 2 Principales technologies plasma ............................................................................................ 27 I.3 3 Procédés allothermiques de gazéification par plasma ........................................................... 30 I.3 5 Traitement des goudrons par plasma thermique et modélisation des cinétiques de réaction 36 I.3 6 Conclusion sur les technologies de gazéification par plasma ................................................ 39 II ETUDE EXPÉRIMENTALE DES ARCS. ...................................................................................... 41 II. 1 TECHNOLOGIE PLASMA TRIPHASÉE DÉVELOPPÉE AU CENTRE PERSEE MINES-PARISTECH ............ 41 II. 2 ETUDE EXPÉRIMENTALE DES ARCS .................................................................................................. 43 II.2. 1 Introduction ............................................................................................................................ 43 II.2. 2 Description du dispositif expérimental ................................................................................... 44 II.2. 3 Comportement théorique de la décharge triphasée ................................................................ 46 II.2. 4 Analyse du comportement de l’arc à 150 ARMS ....................................................................... 48 II.2. 5 Influence du courant ............................................................................................................... 52 II.2. 6 Influence de l’écartement inter-électrodes ............................................................................. 55 II.2. 7 Relation entre le mouvement de l’arc et les signaux électriques de courant .......................... 58 II.2. 8 Conclusion de l’étude expérimentale des arcs ....................................................................... 59 III MODÈLE MAGNÉTOHYDRODYNAMIQUE DES ARCS ......................................................... 61 III. 1 ETAT DE L’ART SUR LA MODÉLISATION DES TORCHES PLASMA À ARCS ........................................... 61 III. 2 HYPOTHÈSES DE CALCUL UTILISÉES DANS LE MODÈLE .................................................................... 66 III. 3 EQUATIONS DE CONSERVATION ....................................................................................................... 73 III. 4 LOGICIEL DE MÉCANIQUE DES FLUIDES CODE_SATURNE ® ............................................................ 73 III. 5 ETUDE DU SYSTÈME PLASMA uploads/Geographie/ etude-theorique-et-experimentale-d-x27-une-torche-plasma.pdf