Etude par spectroscopie d'absorption laser de flammes d'ammoniac assistées par plasma ou mélangées à l'hydrogène // Study of H2-blended and plasma-assisted ammonia combustion via laser absorption spectroscopy

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale des flammes d'ammoniac (NH3) stabilisées par un
mélange avec d'autres combustible (H2) ou par plasma. Les flammes de NH3 pourraient remplacer la
combustion carbonée conventionnelle dans les industries qui requièrent de hautes températures
(production de verre, acier, ciment) que l'électricité ne peut produire. Bien que la combustion de NH3
ne produise pas de CO2, certains régimes de flamme peuvent amener à la formation de polluants
néfastes pour l'environnement et la santé : NH3 (santé), NO (santé), et N2O (effet de serre). L'objectif
général de ce projet multipartenaire (PRISME, ICARE, IMFT, CETHIL et EM2C) est de réduire la
formation de ces polluants en employant des nouvelles techniques de combustion de l'ammoniac.
Dans le cadre de ce projet doctoral, une mesure in-situ de la température et de trois espèces (H2O,
N2O et NO) par spectroscopie d'absorption laser sera développée. Ce diagnostic permettra de
mesurer l'efficacité de la combustion (H2O et température) tout en localisant les zones de formation de N2O et NO. Cette mesure sera testée au laboratoire EM2C sur une flamme d'ammoniac assistée par un plasma de décharges Nanosecondes Répétitives Pulsées (NRP). Les décharges NRP durent
environ 10 ns et sont générées par des impulsions de tension de l'ordre de 10-30 kV à une cadence
de répétition de 10 à 100 kHz. Cette technique, très efficace énergétiquement, a été employée avec
succès pour stabiliser des flammes de nombreux carburants carbonés mais assez rarement sur des
flammes d'ammoniac. Le diagnostic développé pendant cette thèse permettra de quantifier l'impact
des décharges sur la flamme proche du plasma et d'identifier les régimes de décharges les plus
favorables à la réduction de NO et N2O tout en permettant une amélioration de l'efficacité de
combustion.
Cette thèse inclut également plusieurs campagnes expérimentales dans les laboratoires partenaires.
Le diagnostic de spectroscopie d'absorption par laser sera déployé sur un brûleur de 10 – 15 kW
conçu par les laboratoires partenaires pour stabiliser des mélanges NH3/H2 et NH3/biogaz (sans
plasma). Le déploiement du diagnostic en sortie du brûleur permettra d'optimiser en temps réel les
techniques de mélange NH3/H2/biogaz qui réduisent les émissions de NO et N2O et fournira des
données utiles pour la validation des simulations prévues dans ce projet.
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This thesis deals with the experimental study of ammonia (NH3) flames stabilized by mixing with other fuels (H2) or by plasma. NH3 flames could replace conventional carbon combustion in industries requiring high temperatures (production of glass, steel, cement) that electricity cannot produce. Although NH3 combustion does not produce CO2, certain flame regimes can lead to the formation of pollutants harmful to the environment and health: NH3 (health), NO (health), and N2O (greenhouse effect). The overall aim of this multi-partner project (PRISME, ICARE, IMFT, CETHIL and EM2C) is to reduce the formation of these pollutants by employing new ammonia combustion techniques.
As part of this doctoral project, an in-situ measurement of temperature and three species (H2O, N2O and NO) using laser absorption spectroscopy will be developed. This diagnostic will enable us to measure combustion efficiency (H2O and temperature) while pinpointing areas of N2O and NO formation. This measurement will be tested at the EM2C laboratory on an ammonia flame assisted by a plasma of Pulsed Repetitive Nanosecond (PRN) discharges. NRP discharges last around 10 ns and are generated by voltage pulses of the order of 10-30 kV at a repetition rate of 10 to 100 kHz. This highly energy-efficient technique has been successfully used to stabilize flames on a wide range of carbonaceous fuels, but only rarely on ammonia flames. The diagnostics developed during this thesis will enable us to quantify the impact of discharges on the near-plasma flame, and to identify the discharge regimes most favorable to NO and N2O reduction, while at the same time improving combustion efficiency.
This thesis also includes several experimental campaigns in the partner laboratories. Laser absorption spectroscopy diagnostics will be deployed on a 10 - 15 kW burner designed by the partner laboratories to stabilize NH3/H2 and NH3/biogas mixtures (without plasma). Deployment of the diagnostic at the burner outlet will enable real-time optimization of NH3/H2/biogas mixing techniques that reduce NO and N2O emissions, and will provide useful data for validation of the simulations planned in this project.
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Début de la thèse : 01/10/2025

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