Dans le contexte actuel de réchauffement climatique et d'épuisement des ressources énergétiques fossiles conventionnelles, la production d'énergie à partir de combustibles renouvelables (biomasse et déchets) présente un intérêt croissant. Cependant les brûleurs industriels conventionnels sont mal ou pas adaptés pour la valorisation énergétique de combustibles pauvres qui sont pourtant peu couteux et largement disponibles. Les électro-brûleurs, basés sur une assistance à la combustion par plasma thermique, sont alors une solution pour ce type de combustible. Ce travail de thèse a pour objectif le développement d'une torche à plasma triphasée d'une puissance de 100 kW, fonctionnant à l'air et facilement intégrable dans un électro-brûleur industriel. Le premier challenge consiste à rendre possible le fonctionnement à l'air en réduisant autant que possible l'érosion à l'air des électrodes en graphite. Pour cela, des solutions de gainage des électrodes à l'azote ou au méthane, de contrôle aérodynamique de l'écoulement de l'air et d'injection de particules de carbone ont été étudiées. Le deuxième challenge est l'optimisation des transferts de masse et de chaleur, ce qui a été réalisé en améliorant l'écoulement du gaz plasmagène et en choisissant les matériaux adéquats pour l'isolation thermique. Une double approche théorique et expérimentale a été adoptée. Au niveau théorique, un modèle d'écoulement turbulent de plasma a été développé avec une modélisation de l'arc électrique par une source stationnaire de chaleur et de quantité de mouvement. Un modèle de rayonnement à bandes du plasma ainsi qu'un modèle de cinétique chimique ont été intégrés. Les résultats de la simulation montrent le rôle important du rayonnement, la limitation du gainage à l'azote et le potentiel intéressant du gainage au méthane. La simulation a permis aussi de valider le design de la nouvelle torche avant les essais. Au niveau expérimental, une nouvelle conception de torche a été proposée et testée. Les essais réalisés montrent que la protection des électrodes par injection de particules de carbone ne suffit pas pour créer une atmosphère neutre autour des électrodes mais que le contrôle aérodynamique de l'écoulement de l'air permet un meilleur contrôle de l'érosion des électrodes. Des essais préliminaires de combustion assistée par plasma de biomasse solides ont été ensuite réalisés et analysés. / Energy production from renewable combustibles like biomass and organic wastes presents an increasing interest with the urgent need to reduce greenhouse gas emissions and the depletion of conventional fossil energy resources. Meanwhile, standard industrial burners are not adequate for the energetic valorization of renewable poor LHV combustibles despite their low price and their abundance in nature. Electro-burners, with plasma assisted combustion technology, are a promising solution for this type of combustible. In this PhD dissertation is detailed the development of a 100 kW plasma torch working in air and embeddable in an industrial electro-burner. It consists firstly, in making possible an operation in oxidizing environment by reducing as much as possible the air erosion of the graphite electrodes. For this purpose, multiple solutions are tested such as sheathing with nitrogen and methane, aerodynamic control of air flow and injection of carbon black particles. The second challenge is the optimization of heat and mass transfers by improving the plasma flow and by choosing the appropriate materials for thermal insulation. Theoretically, a turbulent model of plasma flow is developed with the modeling of the electric arc column as a stationary source of heat and momentum. A multi-band radiation model and a reactional kinetic model are also integrated. The results show the important role of radiation, the limitation of the nitrogen sheathing and the potential of methane injection in reducing electrode erosion. They allowed also validating the design of the plasma torch before the tests. Experimentally, the new torch design is built and tested. It comes out that reducing the electrode erosion by carbon powder injection is not efficient to achieve a neutral environment around the electrodes whereas a control of the nearby air flow appears to be beneficial. Finally, tests of plasma assisted combustion of some biomasses are performed and analyzed.

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<p>A small plasma generation system was first developed using a ring-pin electrode configuration with the goal of producing a plasma disk at the burner outlet. Two distinct plasma regimes were identified: diffused and filamentary. Diffuse discharges were generated at low frequencies while filamentary discharges were generated at moderate to high frequencies. The induced flow fields generated by both diffuse and filamentary plasma discharges were investigated using high-speed schlieren visualization and particle image velocimetry. The rise in gas temperature was measured using optical emission spectroscopy. Lastly, the electrical properties for both types of plasma discharges was measured. The measurements provided a set of pulse parameters for the investigation of the plasma-flame interaction on the atmospheric pressure burner. </p> An atmospheric pressure plasma-assisted burner with a ring-pin electrode geometry was designed and fabricated to investigate the effect of nanosecond repetitively pulsed discharges on methane-air flames. The burner can produce both Bunsen-type and swirl-stabilized flames (helical vane swirlers, swirl number of 0.62) with a modular design to allow for a removable block swirler component. Flame chemiluminescence and direct imaging of flame structure and dynamics was done to understand the burner’s operating limits. The burner can operate 6 – 13 kW flames, with flames stabilizing at approximately 2 inches above the burner exit. The effect of air flow rate on plasma formation was investigated and it was found that the high velocity of the incoming gas changes the plasma regime and electrical properties. Finally, the plasma discharge was applied on lifted, swirled flames and used for plasma-assisted ignition. For lifted swirled flames, we found that a minimum of 100 pulses is required to generate a filamentary discharge in the air stream. Higher number of pulses at high frequencies appeared to extinguish the primary flame. A minimum of 6000 was used for ignition. The plasma-assisted burner will allow for future studies to investigate the plasma flame coupling for various conditions using a wide variety of diagnostics. <br>

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