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Mesures des taux de recombinaison du CO/CO2 avec applications à la valorization du CO2 – CO2REC

Mesures de taux de recombinaison de CO/CO2 pour application à la conversion de CO2

Notre objectif est de fournir des mesures expérimentales qui pourront être utilisées pour valider des modèles chimi-cinétiques. Ces modèles sont utilisés pour la conception et le développement des systèmes de conversion de CO2. La conversion du CO2 est le processus par lequel le CO2 est converti en un produit à valeur ajoutée.

Objectifs du projet

La valorisation de CO2 par décharge plasma est utilisée pour convertir le CO2 en CO, lui-même permettant de produire un carburant appelé syngas. Ce processus, exécuté de façon énergétiquement efficace, peut clore le cycle du carbone. Ceci requiert une compréhension profonde de la cinétique de recombinaison du CO/CO2. Nous proposons d’utiliser notre torche à plasma au laboratoire EM2C du CNRS pour étudier les cinétiques pertinentes du CO/CO2. Notre torche produit un plasma en équilibre en CO2 d'une température comprise entre 7000 et 9000 K. En sortie, le plasma traverse un tube refroidi par eau, forçant la recombinaison rapide. Des méthodes spectroscopiques et laser permettent de calculer des mesures de concentration d'espèces et de distribution de population, afin de déterminer les taux de recombinaison spécifiques à chaque état, en comparaison à un modèle collisionel-radiatif. Cette approche a été validée par des travaux passés se focalisant sur les taux de recombinaison en azote.

Nous utilisons une torche à plasma pour produire un mélange de CO2/Ar à haute température (7000 K). Ce mélange existe sous la forme d’un jet qui sort du tuyau de la torche à plasma. A cette température, les espèces dominantes sont l’argon, le monoxyde de carbone, le carbone atomique et l’oxygène atomique. Les électrons et les ions sont également présents mais en plus basse quantité. La vitesse du jet est très élevée et nous atteignons une recombinaison du plasma rapide en passant le plasma dans un tube refroidi avec de l’eau. Les parois de ce tube, qui sont en contact d’un côté avec le plasma, sont refroidies de l’autre côté par de l’eau et leur température est maintenu à 300 K. La longueur du tube refroidi par l’eau peut être ajustée pour augmenter ou diminuer le temps de transit afin de moduler l’intensité du refroidissement. Nous proposons d’étudier le refroidissement de ce jet, y compris la recombinaison des espèces chimiques présentes. Pour cela, nous utiliserons une combinaison de spectroscopie d’émission (OES) et des diagnostiques laser, comme la fluorescence induite par laser (LIF). Ces diagnostiques nous permettent de suivre les espèces chimiques présentes et la température du jet pendant qu’il recombine et refroidit. Les données en sortie peuvent ensuite être comparées avec les prédictions faites par les modèles chimiques et cinétiques, pour valider ces modèles.

en cours

en cours

Grimaldi, C., McGuire, S. and Laux, C. “Temperature and radiation measurements of an atmospheric pressure CO2 plasma”, 2020 AIAA Scitech Meeting, (AIAA 2020-1708).

La valorisation du CO2 par décharge plasma est utilisée pour convertir le CO2 en CO, lui-même permettant de produire un carburant appelé syngas (gas de synthèse). Ce processus a le potentiel de transformer le CO2 en produits valorisable, son utilisation a par ailleurs été suggérée dans certains systèmes d’énergie neutres en carbone. Toutefois, le succès de cette technique requiert une implémentation énergétiquement efficace, nécessitant une compréhension détaillée de la cinétique chimique du CO2, en particulier de la cinétique de recombinaison spécifique à chaque état vibrationnel. Nous proposons d’utiliser la torche à plasma du laboratoire EM2C du CNRS pour étudier la cinétique de recombinaison du CO/CO2. La torche peut produire un plasma de CO2 en équilibre à une température comprise entre 7000 et 9000 K. En sortie, le plasma traverse un tube refroidi par eau, forçant la recombinaison rapide. Nous avons déjà utilisé cette méthode avec succès pour étudier la cinétique de recombinaison d'un plasma d'azote. Des diagnostics optiques permettent d’étudier les éléments pertinents de la dynamique de recombinaison et d’extraire des taux de recombinaison spécifiques à chaque état par comparaison à des modèles cinétiques. L’objectif ici est d’utiliser des mesures de concentration d'espèces et de température dans un plasma de recombinaison de CO2. Ces mesures seront effectuées en utilisant à la fois la spectroscopie d’émission et des techniques lasers (LIF). Les données vibrationnellement spécifiques nous fourniront des informations permettant de valider des modèles et de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes de cinétique à la base de la valorisation de CO2 par décharge plasma.

Coordination du projet

Sean McGuire (Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS - EM2C Laboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion

Aide de l'ANR 252 828 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2018 - 48 Mois

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