Etude expérimentale et modélisation de la cinétique de combustion de carburants aéronautiques alternatifs synthétiques et de mélanges-modèles

Experimental and kinetic modeling study of combustion of aeronautical alternative synthetic fuels and model mixtures

• Auteur / Autrice : Florent Karsenty
• Direction : Philippe Dagaut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie-Physique
• Date : Soutenance le 25/09/2014
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Éric Therssen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Dagaut, Éric Therssen, Francis Billaud, Guillaume Dayma, Mohammed Yahyaoui, Zeynep Serinyel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Therssen, Francis Billaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fischer-Tropsch, Procédé

Oxydation

Cinétique chimique

Combustion

Hydrocarbures

Carburants de remplacement

Avions -- Carburants

Mots clés libres

Cinétique

Oxydation

Kérosène

Kérosène de synthèse

Fischer-Tropsch

Réacteur auto-agité

IRTF

CPG

Combustion

Modélisation

Kinetic

Oxidation

Kerosene

Synthetic kerosene

Fischer-Tropsch

Jet stirred reactor

FTIR

GC

Combustion

Modeling

Résumé

Les carburants liquides actuels sont principalement issus du raffinage du pétrole. Cependant, leur remplacement par des carburants de nouvelle génération, renouvelables, dérivant de la biomasse et plus propre apparait comme une nécessité économique et environnementale. Les buts sont de réduire la dépendance au pétrole dont le prix augmente et les réserves diminuent, et limiter les émissions de dioxyde de carbone (gaz à effet de serre). L'adaptation des motorisations actuelles à ces nouveaux carburants nécessite une connaissance approfondie de leur cinétique de combustion et de la nature et des concentrations des polluants formés lors de leur utilisation. Les activités de recherche sur les carburants alternatifs destinés au secteur aéronautique ont ainsi considérablement augmenté ces dernières années. Dans le cadre de cette étude nous nous sommes intéressés à la solution « carburants de synthèse » qui offrent des perspectives encourageantes pour le futur. Des études cinétiques d’oxydation ont été menées en réacteur auto-agité par jets gazeux (JSR) sur une large gamme de conditions expérimentales à l’Institut de Combustion Aérothermique Réactivité et Environnement sur le campus du CNRS d’Orléans. Ces études ont été menées dans un premier temps sur des hydrocarbures purs qui pourraient être de bons candidats comme molécules-modèles pour représenter la part des iso-paraffines dans un kérosène de synthèse. Ces molécules sont des isomères de l’iso-octane utilisé comme tel jusqu’à maintenant. Dans un second temps, des études ont été menées sur trois kérosènes de synthèse dont un SPK fournit par l’IFP, un CtL (Sasol) et un GtL (Shell). Les analyses par spectrométrie d’absorption infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) et par chromatographie en phase gazeuse (CPG-FID-TCD-MS) nous ont permis de mesurer les profils de concentration des réactifs, des produits finals et des intermédiaires stables en fonction de la température. Des mécanismes cinétiques détaillés adaptés aux composés étudiés ont été développés et validés par confrontation avec les résultats expérimentaux.

Current liquid fuels are mainly from petroleum refining. However, replacing them with new-generation alternatives fuels, renewable, from biomass and cleaner appear to be an economic and environmental necessity. Goals are to reduce petroleum dependency whose price increases and supplies decreases, and limit emissions of carbon dioxide (greenhouse gas emissions). The adaptation of existing engines to these new fuels requires a thorough knowledge of their kinetic of combustion and the nature and concentrations of pollutants formed during their use. Research activities on alternative fuels for the aviation industry have considerably increased in recent years. In this study we are interested in the "synthetic fuels" solution that offers encouraging prospects for the future. Studies on the kinetic of oxidation were carried out in a Jet Stirred Reactor (JSR) over a wide range of experimental conditions at the Institute of Combustion Aerothermal Reactivity and Environment on the campus of the CNRS of Orléans. These studies were initially conducted on pure hydrocarbons which could be good candidates as models molecules to represent the isoparaffins cut in a synthetic kerosene. These molecules are isomers of iso-octane used as such until now. In a second step, studies were conducted on three synthetic kerosene, a SPK provided by IFP, a CtL (Sasol) and GTL (Shell). Analyses by Fourier transform infrared spectrometry (FTIR) and by gas chromatography (GC-FID-TCD-MS) allowed us to measure the concentration profiles of reactants, stable intermediates and finals products as a function of temperature. Detailed kinetic mechanisms adapted to the studied compounds have been developed and validated by comparison with experimental results.