Dynamique de combustion des végétaux et analyse des fumées émises, effets de l’échelle et du système

par Elodie Romagnoli

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Paul-Antoine Santoni et de Nathalie Chiaramonti.

Le jury était composé de Laurent Ferry, Thomas Rogaume, Toussaint Barboni, Michel Ferriol.

Les rapporteurs étaient Laurent Ferry, Thomas Rogaume.


  • Résumé

    Les incendies de végétation sont caractérisés par de nombreuses échelles de temps et d’espace. Une approche multi-physique et multi-échelle est donc nécessaire pour aborder la complexité de ces phénomènes. Ce travail de thèse est une contribution expérimentale à l’étude des effets d’échelle et du système sur la dynamique de combustion des végétaux et les fumées émises. Notre objectif principal a été de déterminer quels protocoles expérimentaux et plus particulièrement quelles échelles permettent de caractériser au mieux la combustion des végétaux en laboratoire. Nous avons ainsi étudié le comportement au feu des aiguilles de deux espèces de pin représentatives de l’écosystème méditerranéen, Pinus pinaster et Pinus laricio. Les litières d’aiguilles de pin représentent un enjeu important car elles entretiennent la propagation des incendies et elles participent à la transition d’un feu de surface à un feu total. Trois configurations expérimentales ont été étudiées au cours de cette thèse, l’échelle du cône calorimètre, l’échelle du grand calorimètre ou LSHR (permettant la combustion statique de masses plus importantes que le cône) et enfin, la propagation dans le LSHR permettant d’étudier l’effet du système sur la dynamique de la combustion et sur la production des fumées. Pour comparer ces trois configurations les protocoles expérimentaux ont été adaptés tout en maintenant la charge de combustible. Différents paramètres ont été étudiés pour analyser la dynamique de combustion tels que l’efficacité de la combustion, l’énergie dégagée ou encore la vitesse de perte de masse. La production des fumées a été étudiée par la mesure du coefficient d’extinction qui caractérise leur opacité et permet d’obtenir le facteur d’émission des suies. Les facteurs d’émissions des principaux composés émis lors de la combustion de ces deux types d’aiguilles de pin ont été mesurés en continu à partir d’un analyseur Infrarouge à Transformée de Fourier et d’un analyseur Infrarouge Non Dispersif. Des analyses par chromatographie en phase gazeuse couplée à un détecteur à ionisation de flamme et un spectromètre de masse nous ont permis de compléter ces mesures. Un bilan massique de carbone a également été réalisé afin de quantifier le carbone total mesuré dans nos analyses. Les principales contributions de notre travail sont les suivantes : l’étude du comportement au feu des aiguilles de P. pinaster a révélé des différences importantes pour la puissance dégagée aux échelles du cône calorimètre et du LSHR. En revanche, le système de combustion (propagation) n’influence pas cette grandeur. L’efficacité de la combustion est apparue peu dépendante de l’échelle et du système de combustion. Nous avons observé une influence de l’échelle de combustion sur la production totale des fumées (RSR) et sur le facteur d’émission des suies. Nous avons également montré que le système de combustion (la propagation) influence la dynamique et la valeur des facteurs d’émission de dioxyde et de monoxyde de carbone, composés majoritairement émis par ces combustions. Une influence de l’échelle et du système est également à noter sur les facteurs d’émissions des composés azotés et des COV émis pour les trois configurations expérimentales. Nous avons attribué les différences observées aux valeurs de températures des fumées. Enfin, une influence de la géométrie des particules a été mise en évidence par comparaison des combustions réalisées avec le cône calorimètre et le LSHR pour les deux types d’aiguilles de pin. La dynamique de combustion des aiguilles de Pinus laricio est moins affectée par le changement d’échelle que celle des aiguilles de Pinus pinaster (plus faible variation de la puissance de combustion). Nous avons également observé que les aiguilles de Pinus laricio, thermiquement plus fines que les aiguilles de Pinus pinaster présentent une valeur plus faible pour le facteur d’émission des suies.

  • Titre traduit

    Plant combustion dynamics and analysis of fumes emitted, scale effects and system


  • Résumé

    Wildfires are characterized by a lot of scales of time and space. A multi-physics and multi-scale approach is required to consider the complexity of these phenomena. This thesis is an experimental contribution to the study of the scale effects and the effects of the system on the combustion dynamics of forest fuels and smoke emission. The aim of this work was to determine which experimental protocols and specifically which scales can be used to characterize the combustion of vegetal fuels in the laboratory. The reaction to fire of pine needles species representative of the Mediterranean ecosystem, (Pinus pinaster and Pinus laricio) has been studied. Litters of pine needles are an important issue because they sustain fire spread and are involved in the transition from a surface fire to a total fire.Three experimental configurations were studied in this thesis: the cone calorimeter scale; the large scale calorimeter or LSHR (allowing static combustion with larger masses than used with the cone); a fire spread in the LSHR, allowing to study the effect of the system on the dynamics of combustion and release of smoke. To compare these configurations, experimental protocols have been elaborated while keeping the same fuel load. Different parameters were studied to analyze the combustion dynamics such as combustion efficiency, heat released rate and mass loss rate. Smoke production was studied by measuring the coefficient of extinction to characterize their opacity and an estimation of the soot emission factor was derived. The emission factors of the main compounds emitted during the combustion of these two pines needles were measured with a Fourier Transform Infrared analyzer and a Non-dispersive infrared analyzer. Analysis by gas chromatography coupled with a flame ionization detector and a mass spectrometer allowed us to complete these measurements. A mass balance of carbon was also performed to quantify the total carbon measured through our analyzes.The main contributions of our work can be summarized as follow: the study of the burning of Pinus pinaster needles reveals significant differences for heat release rate (HRR) at both cone calorimeter and LSHR scales. However, the combustion system (fire spread) does not influence the HRR value at the LSHR scale. The combustion efficiency appeared to be independent with regard to the scale and the system. We observed a wide influence on the rate of smoke release and the emission factor of soot. We also shown that the combustion system (fire spread) influences the dynamics and value of emissions factors of carbon dioxide and carbon monoxide (major compound emitted for these combustions). An influence of the three experimental configurations on the emission factors of nitrogen compounds and VOC emissions was also noted. This difference was attributed to the level of smoke temperature. Finally, an effect of particles geometry was also pointed out by the comparison between the burnings performed with the cone calorimeter and the LSHR for both types of pine needles. The combustion dynamics of Pinus laricio needles was slighlty affected by changing scale in comparison to needles of Pinus pinaster (weak variation of HRR). We also observed that Pinus laricio’s needles, which are thermally thiner than Pinus pinaster ones have the lowest soot emission factor.


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