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

Abstract

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.