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Soutenance de thèse de Papa GUEYE

Etude d’un nouveau procédé de plasma à haute pression pour la production de Gaz de Synthèse à partir de CH4 et de la rétroconversion du CO2

Etude d’un nouveau procédé de plasma à haute pression pour la production de Gaz de Synthèse à partir de CH4 et de la rétroconversion du CO2

Titre anglais : Contribution to the development of a new high pressure plasma process for the production of syngas from CH4 and the retro conversion of CO2
Date de soutenance : mercredi 25 octobre 2017 à 10h00
Adresse de soutenance : Mines ParisTech Sophia Antipolis 1 Rue Claude Daunesse, 06904 Sophia Antipolis - Amphi Mozart
Directeurs de thèse : Laurent FULCHERI, François CAUNEAU

devant le jury composé de :

Mots clés en français : Ecoulements reactifs,modélisation CFD,cinétique chimique,transferts de masse et de chaleur,nucléation et croissance de particules,méthane;CO2; gaz de synthese; plasma
Mots clés en anglais : Reactive Flows,CFD-MHD modeling,Kinetics; heat and mass transfer,nucleation growing,methane; CO2; syngas; carbon black,plasma

Résumé de la thèse en français
Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un nouveau procédé industriel de production de syngas (mélange de CO et H2) par voie plasma avec retro-conversion du CO2. L'obtention du syngas est classiquement l'étape la plus polluante et la plus énergivore pour synthétiser des carburants liquides grâce aux procédés Fischer-Tropsch et répondre ainsi à la problématique du stockage et du transport. Cette étude a pour but de proposer des méthodes numériques et semi-analytiques utiles à la conception et l'optimisation du réacteur PBR. Elle montre d'abord, par des considérations thermodynamiques et cinétiques, l'intérêt énergétique de ce nouveau procédé en comparaison avec la voie classique de reformage à sec, grâce au passage par une décarbonation directe du méthane pour produire du noir de carbone (et aussi du H2) qui sera gasifié dans un second temps avec du CO2 et du H2O. Cet intérêt rejaillit également dans le choix de la très haute pression (20 bar) et qui a rendu nécessaire un calcul plus fin du rayonnement du gaz dans nos différents modèles : 1D pour mieux spécifier la source électrique, 2D axisymétrique pour le design détaillé du réacteur grâce à la CFD et enfin dans la modélisation 3D MHD de la torche plasma. Cette dernière a une configuration à électrodes concentriques et ces travaux donnent une bien meilleure compréhension de la dynamique et de la stabilité de l'arc à 1 et 20 bar, au delà des considérations semi-empiriques qui ont ponctué le développement industriel de cette torche.

Résumé de la thèse en anglais
This thesis takes part of the development of a new industrial plasma process for the production of syngas (mixture of CO and H2) with retroconversion of CO2. Obtaining syngas is classically the most polluting and energy demanding step toward the production of liquid hydrocarbons via Fischer-Tropsch processes and which are very suitable for storage and transport. This study aims to develop reliable and robust numerical and semi-analytic methods for a better conception of the Plasma Boudouard Reactor. Through thermodynamics and kinetics considerations, it firstly shows that the energetic originality of this new process in comparison to classic dry reforming lies on the direct decarbonation step of methane by plasma to produce carbon black (together with H2) which will be further gasified with CO2 and H2O. Energy costs effectiveness dictated also the choice of very high pressure (20 bar) choice which in turn required a fine description of radiation in our different models: 1D for power supply specifications, 2D axisymmetric CFD for detailed design of the reactor and finally in 3D MHD of the plasma torch. The latter has a two-concentric electrodes configuration and our unprecedented modeling gives a better insight and understanding of the arc dynamics and stability at 1 and 20 bar way beyond the former empirical considerations that punctuated its industrial development since the early 90's. The developed models feature the key role played by the plasma arc physics in the operation, safety and energy efficiency of the overall industrial process.