Development of optical and chemical diagnostics to characterize and control particulate and gaseous emissions from combustion systems
Développement de diagnostics optiques et chimiques pour caractériser et contrôler les émissions particulaires et gazeuses des systèmes de combustion
Résumé
Combustion is one of the main contributors to both particulate matter (PM) and several gaseous pollutants which may have harmful effects on human health, environment, and climate. The main goal of this PhD is to develop a measurement procedure based on optical extinction to monitor PM and/or some gaseous pollutants emissions produced by a combustion system (e.g., internal combustion engine, turbine or industrial burner). This work also aims to shed the light on the relationship between the chemical composition and the optical extinction coefficient measured for these emissions. To succeed in this measurement challenge and avoid the complexity of a real powertrain setup, a modular combustion bench has been built in which gaseous pollutants and PM can be monitored independently. This experimental setup was equipped with a version of the miniCAST soot generator that has the ability to burn liquid fuels, thus allowing the study of the impact of the chemical composition of the fuel on the physico-chemical properties of PM. A total of 34 operating points were characterized, spanning a wide range of flame overall equivalence ratio (i.e., 0.104 - 1.673) using two different fuels (diesel B7 and dodecane). The soot particles produced by this burner were characterized in terms of morphological key parameters, size distributions, mass concentrations, and optical extinction coefficients. All these data were then used to evaluate and intercompare the soot volume fraction using three different methods: granulometric (combining size measurement and morphology), mass, and optical.Furthermore, the chemical composition of the combustion products of the miniCAST was studied in order to characterize the organic content of the gas-phase and the particulate-phase. This study was carried out by combining gas chromatography (GC), to examine low mass polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in the gas-phase, and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS), to characterize the heavy PAHs in both the gas- and particle-phases. These experiments allowed to identified the operating points associated with the highest content of organic compounds. Then, a correlation was observed between the presence of that organic content (mostly attributed to organic PAHs) and the optical extinction coefficient. The use of an oxidation catalyst (catalytic stripper) on the burner exhaust gases allowed to evaluate the impact of this thermal treatment at 350 °C on the chemical composition of the exhaust gases, on the size and morphology characteristics of soot aggregates, and consequently on the measurement of the optical extinction coefficient. Finally, the measurement of the optical extinction coefficient for PM and gaseous pollutants such as NO, NO2 and/or NH3 injected first separately and then simultaneously was performed to evaluate the interference of gaseous pollutants with PM and to propose a procedure allowing their simultaneous control.In conclusion, this thesis provides for a soot generator's PM emissions a detailed description of soot particles sizes, morphologies, soot volume fractions and optical extinction coefficient, as well as a detailed characterization of the chemical composition of the gas- and particulate-phase produced by this generator, under different operating conditions. Thanks to the experimental database obtained, this thesis proposes a methodology of measurement and analysis for optical extinction coefficients and for ToF-SIMS mass spectra which can be transposed to the study of bio-fuels or synthetic fuels (e-fuels) in the near future.
La combustion est l'une des principales sources d'émissions particulaires (PM) et de plusieurs polluants gazeux qui peuvent avoir des effets néfastes sur la santé humaine, l'environnement et le climat. Les travaux réalisés dans cette thèse visent à développer une procédure de mesure basée sur l'extinction optique pour contrôler les PM et/ou certains polluants gazeux produits par un système de combustion (e.g., moteur à combustion interne, turbine ou brûleur industriel). Ces travaux visent également à comprendre les liens qui peuvent exister entre la composition chimique et le coefficient d'extinction optique mesurés pour ces émissions. Pour réussir ce défi de mesure et éviter la complexité d'une configuration réelle de moteur, un banc de combustion modulaire a été construit dans lequel les polluants gazeux et les PM peuvent être contrôlés indépendamment. Ce dispositif expérimental a été équipé d'une version du générateur de suie miniCAST ayant la capacité de brûler des carburants liquides, permettant ainsi l'étude de l'impact de la composition chimique du carburant sur les propriétés physico-chimiques des particules de suie. Au total, 34 points de fonctionnement ont été caractérisés, balayant une large gamme de richesses globales de flamme (i.e., 0.104 - 1.673) en utilisant deux carburants différents (diesel B7 et dodecane). Les particules de suie produites par ce brûleur ont été caractérisées du point de vue des grandeurs morphologiques, des distributions de taille, des concentrations massiques, et enfin des coefficients d'extinction optique. L'ensemble de ces données ont ensuite servi à évaluer et intercomparer la fraction volumique des suies par trois méthodes différentes à savoir granulométrique (combinant la mesure de taille et la morphologie), massique, et optique.Par ailleurs, la composition chimique des produits de combustion du miniCAST a été étudiée afin de caractériser le contenu organique de la phase gazeuse et de la phase particulaire. Cette étude a été réalisée en combinant la chromatographie en phase gazeuse (GC), pour examiner les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) de faible masse dans la phase gazeuse, et la spectrométrie de masse par analyse de temps de vol d'ions secondaires (ToF-SIMS), pour caractériser les HAP cette fois-ci lourds dans les deux phases gazeuse et particulaire. Tout d'abord, cette étude a permis d'identifier les points de fonctionnement associés à la plus forte teneur en composés organiques. Par la suite, une corrélation a été observée entre la présence de ces HAP et le coefficient d'extinction optique. L'utilisation d'un catalyseur d'oxydation (catalytic stripper) sur les gaz d'échappement du brûleur a permis d'évaluer l'impact de ce traitement thermique à 350 °C sur la composition chimique des gaz d'échappement, sur les caractéristiques de taille et de morphologie des agrégats de suie, et par conséquent sur la mesure du coefficient d'extinction optique. Enfin, la mesure du coefficient d'extinction optique de PM et de polluants gazeux tels que NO, NO2 et/ou NH3 injectés d'abord séparément, puis simultanément a été réalisée pour évaluer l'interférence des polluants gazeux avec les PM et proposer une procédure permettant leur quantification simultanée.En conclusion, ce travail de thèse restitue une métrologie des émissions particulaires d'un générateur de suies du point de vue de la taille, la morphologie, la fraction volumique et le coefficient d'extinction optique, ainsi qu'une caractérisation détaillée de la composition chimique de la phase gazeuse et particulaire que ce générateur produit, et ce, sous différentes conditions opératoires. Grâce à la base de données expérimentale obtenue, ce travail de thèse propose une méthodologie de mesure et d'analyse des résultats pour le coefficient d'extinction optique et les spectres de masse ToF-SIMS pouvant être transposée à l'étude des bio-carburants ou des carburants synthétiques (e-carburants) dans un futur proche.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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