Cette thèse porte sur l’étude expérimentale des flammes d’ammoniac (NH3) assistée par plasma. Les
flammes de NH3 sont envisagées pour remplacer la combustion carbonée conventionnelle dans les
industries qui requièrent de haute température que l’électricité ne peut fournir – production de verre,
acier, ciment, etc. Les flammes de NH3 ne produisent pas de CO2, 2 NH3 + 3/2 O2 → 3 H2O + N2, mais
certains régimes de combustion peuvent amener à la formation de polluants néfastes pour
l’environnement et la santé : NH3 (santé), NO (santé et effet de serre indirect), et N2O (effet de serre).
L’objectif de ce projet est de réduire la formation de ces polluants en employant des décharges
électriques 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 énergiquement a été employée avec succès pour
stabiliser des flammes de nombreux carburants carbonés et jusqu’à des puissances de l’ordre de
100 kW.
La première partie de la thèse consistera à étudier les phénomènes fondamentaux d’interaction entre
des décharges NRP et une flamme prémélangée de CH4-air qui est déjà caractérisé au laboratoire.
Cette étude servira notamment à préparer les diagnostics optiques pour la seconde phase. Ces
diagnostics optiques permettront de mesurer les paramètres fondamentaux à l’échelle des décharges
(température, électrons, espèces atomiques, espèces excitées électroniquement) ainsi que l’état
thermochimique à l’échelle de la flamme (température, espèces). Durant la seconde phase, nous
étudierons l’impact des décharges NRP sur un mélange NH3-air dans un brûleur de laboratoire de
10 kW, avec stabilisation par accroche flamme. Le contrôle du régime de décharge sera primordial
pour former un plasma modérément plus chaud que la flamme (2000 à 3000 K) ou un plasma à
l’équilibre thermodynamique (20,000 à 40,000 K). La connaissance fine de l’interaction flamme-
plasma permettra d’identifier quel régime est le plus intéressant pour un industriel et quels sont les
principaux mécanismes de stabilisation et de réduction de polluants par les décharges pour permettre
une application prochaine.