Tomographie thermo-spectroscopique par imagerie 3D pour l'étude des torches à plasma

Abstract

This thesis is part of a multi-partner ADEME IGAR (Injection of Reducing Gas) project which consists of studying, developing and validating this new process concept. In recent years, a major challenge for the steel industry has been to reduce greenhouse gas emissions. One of the solutions envisaged in blast furnaces is the injection of a reducing gas heated by plasma torches. In this context, one of the scientific objectives of this thesis is the measurement of temperature, concentration and flux within plasma torches, which are environments under extreme conditions due to the high temperatures and high powers involved.In order to study this kind of heterogeneous and extreme environment, it is necessary to develop optical and non-contact instrumentation to obtain temperature, concentration and flux volume fields of flames on a laboratory scale using tomographic methods.Therefore, the main challenge of this thesis work is the development of quantitative imaging methods. Initially, the work was focused on the development of an hyperspectral quantitative imaging fluxmeter under extreme conditions. This work is based on the understanding and modelling of the heat transfer within the sensor, the development of an inverse method based on the Wiener filter allowing the spatial and quantitative estimation of the excitation flux. These methods were accompanied by rigorous metrology to ensure complete control of the tool.Once this sensor was developed, Flying spot methods for 3D hyperspectral imaging by Radon transform have been implemented. This new imaging concept made it possible to carry out hyperspectral 3D tomography (visible, infrared and terahertz) on spectrally heterogeneous objects with complex shapes. Finally, in a second phase, an experimental platform based on infrared spectroscopy coupled with cooled thermal cameras has been established to perform thermospectroscopic tomographic imaging. This measurement, based on a two-image method and a Radon-type tomography, made it possible to simultaneously obtain the temperature and concentration volume fields on laboratory micro-torch flames as well as various physical quantities (absorptivity, emissivity, transmissivity) related to the chemical composition of the flames.In conclusion, the methods developed in this thesis, namely the development of fluxmeters and 3D thermospectroscopic measurement techniques on a laboratory scale, will allow a better understanding of the opto-thermo-chemical processes within plasma torches and more generally within heterogeneous media.Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet ADEME IGAR (Injection de Gaz Réducteur) multi-partenaires qui consiste à étudier, développer et valider ce nouveau concept de procédé. En effet, ces dernières années, un enjeu majeur pour l’industrie sidérurgique est la réduction d’émission de gaz à effet de serre. Une des solutions envisagées dans les hauts-fourneaux est l’injection d’un gaz réducteur chauffé par le biais de torches à plasma. Dans ce sens, un des objectifs scientifiques de ce travail de thèse est la mesure de température, de concentrations et de flux au sein des torches à plasma qui sont des milieux en conditions extrêmes à cause des hautes températures et des fortes puissances mises en jeu.Afin d’aborder de tels milieux hétérogènes et extrêmes, il devient nécessaire de développer une instrumentation optique et sans contact pour obtenir par des méthodes tomographiques des champs volumiques de température, de concentration et de flux au sein de flammes à l'échelle du laboratoire.Par conséquent, le principal verrou de ce travail de thèse est le développement de méthodes d’imagerie quantitative. Dans un premier temps, les travaux se sont focalisés sur le développement d’un fluxmètre imageur quantitatif hyperspectral en conditions extrêmes. Ce travail est basé sur la compréhension et la modélisation du transfert de chaleur au sein du capteur, du développement d’une méthode inverse basée sur le filtre de Wiener permettant d’estimer spatialement et quantitativement le flux d’excitation. Ces méthodes ont été accompagnées d’une métrologie rigoureuse afin d’assurer une maîtrise complète de l’outil.Une fois ce capteur développé, des méthodes de type Flying spot pour effectuer de l'imagerie 3D hyperspectrale par transformée de Radon ont pu être mises en oeuvre. Ce nouveau concept d’imagerie a permis de réaliser des tomographies 3D hyperspectrales (visible, infrarouge et térahertz) sur des objets de formes complexes et spectralement hétérogènes. Enfin dans un second temps, une plateforme expérimentale basée sur de la spectroscopie infrarouge couplée à des caméras thermiques refroidies a été mise en place pour réaliser l’imagerie tomographique thermospectroscopique. Cette mesure basée sur une méthode à deux images et une tomographie de type Radon a permis d’obtenir simultanément les champs volumiques de température et de concentration sur des flammes de micro-torches de laboratoire ainsi que différentes grandeurs physiques (absorptivité, émissivité, transmissivité) liées à la composition chimique des flammes.En conclusion, les méthodes développées dans cette thèse, à savoir le développement de fluxmètres et de techniques de mesure thermospectroscopiques 3D à l’échelle du laboratoire, permettront une meilleure compréhension des processus opto-thermo-chimiques au sein des torches à plasma et plus généralement au sein de milieux hétérogènes