Description du sujet de thèse

Les mélanges de combustibles gazeux et solides, qualifiés d’hybrides, sont rencontrés dans de nombreux secteurs industriels (industries pharmaceutiques, stockage d’hydrogène, biocarburants, traitement des déchets…). La fréquence des accidents liés à ces associations de composés inflammables est sous-estimée, l’explosion étant souvent associé au composé majoritaire. Parallèlement, certaines technologies émergentes de valorisation de la biomasse ou de déchets (combustibles solides de récupération CSR) tendent à générer, de manière volontaire ou fortuite, des mélanges hybrides de gaz et de solides combustibles (e.g. pyrogazéification). Pourtant, lors de l’évaluation des risques d’explosion pour la sécurité des procédés et celles des travailleurs, le cas des mélanges hybrides est souvent éludé, faute de standards internationaux permettant d’évaluer spécifiquement les paramètres de sécurité.
Le sujet de thèse proposé concerne la compréhension des mécanismes d’inflammation et d’explosion des mélanges hybrides gaz-solides et la proposition de nouveaux outils et procédures de détermination des paramètres de sécurité, particulièrement ceux liés à la sensibilité à l’inflammation. Il sera centré sur des études de cas issues de procédés innovants de valorisation de la biomasse ou centrés sur des vecteurs énergétiques bas-carbone.
Après une analyse extensive de l’accidentologie, des essais de détermination d’énergie minimale d’inflammation, de limite inférieure d’explosivité et de sévérité d’explosion seront menés à l’aide d’équipements pour lesquels les procédures de test auront été adaptées aux mélanges hybrides, en prenant en compte les développements en cours sur le sujet auxquels l’INERIS et le LRGP participent (collaboration avec le PTB et le BAM - Allemagne). L’impact de la température sur le ratio gaz/solide et, par conséquent sur l’énergie minimale d’inflammation de ces composés sera notamment étudié. En complément, l’influence de faibles concentrations de combustible (gazeux ou solide) sur le comportement global du mélange sera particulièrement étudiée. D’autres paramètres, tels que la distribution de taille de particule ou la turbulence seront également pris en compte au moyen de plans d’expériences. Une analyse plus fine des étapes limitantes de l’explosion sera alors entreprise grâce à un dispositif expérimental innovant permettant de découpler les phases de chauffe et génération des gaz, de l’inflammation du mélange hybride et de la propagation de flamme. Cette étude permettra notamment de découpler les mécanismes de pyrolyse des poudres et d’oxydation de la phase gazeuse, améliorant ainsi la compréhension des effets de synergie observés pour les mélanges hybrides.
En plus des résultats expérimentaux directement exploitables pour la sécurisation des procédés industriels étudiés, des modèles numériques visant à évaluer l’explosivité de ces mélanges pourront être développés en prenant en considération les spécificités liés aux transferts thermiques et aux mécanismes réactionnels de ces composés. Cette thèse aboutira à la proposition d’une démarche structurée d’évaluation des risques d’explosion liés aux mélanges hybrides gaz/solide.

Contexte de travail

le Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (UMR 7274) est une unité mixte du CNRS et de l’Université de Lorraine. Son objectif scientifique général concerne l’étude des procédés pris dans leur globalité et leur complexité.
Le LRGP développe des connaissances scientifiques et technologiques nécessaires à la conception, l’étude, la conduite et l’optimisation des procédés complexes de transformation physico-chimiques et biologiques, de la matière et de l’énergie.
L’unité compte actuellement plus de 300 personnes, dont 12 chercheurs, 78 enseignants-chercheurs, une trentaine de personnels techniques et administratifs, une centaine de doctorants, environ 20 post-docs et ATERs. Le laboratoire accueille également une centaine de stagiaires par an.
La thèse se déroulera dans l'équipe SAFE (Sécurité Aérosols Filtration Explosion) de l'Axe PERSEVAL (Procédés pour l'Environnement, la Sécurité et la Valorisation des Ressources).

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Risques liés aux explosions.