Combustion 0809
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COMBUSTION
N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
Chapitre I :
Notions sur la combustion et les combustibles
N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
I.1 INTRODUCTION: La combustion est la plus importante des sources industrielles de chaleur et d'énergie interne (foyers de chaudières, fours industriels, moteur à combustion interne, turbines à gaz, fusées etc..). Elle représente 75 à 80 % de l’énergie produite au monde On désigne en général sous le nom de combustion une réaction chimique qui s'effectue entre deux corps avec dégagement de chaleur et de phénomènes lumineux. Combustible + (carburant) Gaz,fioul,Charbon
Comburant (oxydant) Air, O2
Produits de combustion
+ Chaleur
CO2,H2O,N2,
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Combustion (2008/09)
La combustion désigne une réaction chimique au cours de laquelle il y a oxydation complète ou partielle d’un corps. Les réactions d’oxydation sont en général, exothermiques, le terme « combustion » s’applique aux cas où la réaction est suffisamment rapide pour qu’elle se matérialise par une flamme, des étincelles, etc.…
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I.1.1 Combustion vive Elle s'accompagne avec une forte élévation de température (elle se fait avec un gros dégagement de chaleur en raison de la vitesse élevée de la réaction). Exemple : C2H2(g) + 5/2 O2(g) 2CO2(g) + H2O + 1260 kj
I.1.2 Combustion lente Il ne se produit pas d'élévation de température sensible. La combustion se fait sans flamme ni incandescence (elle dégage peu de chaleur en raison de la vitesse peu élevée). Exemple : 4Fe(s) + 3O2 2F2O3(s) + 105 kj
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Un corps ne peut entrer en combustion que s'il a été préalablement porté au dessus d'une température minimale dite température d'inflammation. Combustibles
T°C/Inflammation
Combustibles
T°C/Inflammation
Hydrogène
550
Carbone
700
Oxyde de carbone
300
Charbon de terre
325
Méthane
650
Charbon de bois
360
Gaz de four à Coke
800
Coke
700
Tourbe
225
Hydrocarbures lourds
600 à 800
Température d'Inflammation de quelques combustibles usuels gazeux, liquides ou solides. N. EL MEJDOUB
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Ce sont les gaz combustibles qui brûlent le plus facilement. Les combustibles liquides (ainsi que les combustibles solides) doivent être d'abord amenés dans un état finement pulvérisés, ce qui augmente leur surface de contact avec l'oxygène avant d'être introduit dans une chambre portée à température suffisamment élevée où la combustion se développe. Les corps combustibles industriels contiennent toujours le carbone, presque toujours de l'hydrogène, et plus exceptionnellement du soufre. Ils peuvent également renfermer d'autres éléments ou composés chimiques (oxygène, azote, eau etc..), ainsi que des matières minérales non combustibles (qui se retrouvent dans les cendres), mais qui n'entrent pas directement en jeu dans les réactions chimiques de combustion. Le comburant usuel est, le plus souvent, le dioxygène contenu dans l’air mais pas toujours !. Les bilans chimiques ci-dessous, sont des bilans de combustion, le comburant est mis entre crochets dans chaque cas: N. EL MEJDOUB
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CH4(g) + 2[O2(g)] 3[Cl2(g)] + 2 Fe(s) 2Mg(s) + [C02(g)]
CO2(g) + 2H20(g) 2FeCl3(s) 2MgO(s) + C(s)
I.1.3 Réactions de combustion
Ces réactions sont régies par les équations suivantes, dites équations de combustion. C + O2 → CO2 + 97.6 kcal (1) H2 + O2 → H2O + 69.0 kcal (2)
S + O2 → SO2 + 69.2 kcal (3)
Les quantités de chaleur qui figurent aux seconds membres de ces équations sont les chaleurs de combustion; elles se rapportent à la quantité indiquée du corps combustibles (une mole). Elles ont été fournies par mesure. En fait, la combustion du carbone C, peut s'effectuer en deux phases: il y a d'abord formation d'oxyde de carbone CO conformément à l'équation: C + O2 → CO + 29.4 kcal (4) N. EL MEJDOUB Combustion (2008/09)
puis l'oxyde de carbone CO brûle à son tour en donnant naissance à de l'anhydride carbonique CO2 conformément à l'équation: CO + O2 → CO2 + 68.2 kcal (5) L'équation (4) caractérise une combustion incomplète, et l'équation (1); qui est la somme des équations (4) et (5), caractérise la combustion complète. La température résultant de la combustion dépend de la composition chimique du combustible, de la quantité d'air amenée, ainsi que des températures respectives de l'air et du combustible au moment de la combustion. Elle est d'autant plus élevée que la combustible renferme une plus grande proportion d'éléments eux-mêmes combustibles (C, H et S) et que la quantité d'air amenée se rapproche davantage de la quantité théorique. N. EL MEJDOUB
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I.2 COMBUSTIBLES
I.2.1 Définition Un combustible est une substance (solide, liquide ou gazeuse) qui peut se combiner facilement avec l’oxygène selon une réaction chimique. Cette combinaison, dite combustion, se manifeste généralement par les flammes ou l’incandescence des corps qui brûlent et s’accompagne d’un important dégagement de chaleur. Dans la pratique, l’oxygène utilisé dans la combustion provient de l’air. Les combustibles utilisés dans l'industrie a) Combustibles Solides: Les différents types de charbons, Coke, Tourbe, Bois. b) Combustibles liquides: Mis à part les combustibles liquides utilisés dans les moteurs (fiouls et gasoil), l'industrie n'emploi guère, pour le chauffage des chaudières et des fours, que des huiles minérales provenant de la distillation: N. EL MEJDOUB
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- du mazout; - des goudrons de houille; - de certains schistes bitumineux. c) Combustibles Gazeux: Les principaux combustibles utilisés dans l'industrie sont: - Le gaz de fours à Coke, de composition similaire à celle du gaz de ville, et qui provient de la pyrogénation en vase clos de la houille dans le four à coke. - Le gaz de gazogène, obtenu par combustion incomplète d'un combustible solide (anthracite) dans les foyers spéciaux appelés gazogène. - Le gaz de haut fourneau, qui se forme dans les hauts fourneaux producteur de fontes. - Le gaz naturel, constitué essentiellement d'hydrocarbures légers parmi lesquels du méthane CH4.
- Le gaz de cracking, provenant de la décomposition par la chaleur des hydrocarbures à longues chaîne et qui sont constitués de butane et de propane. N. EL MEJDOUB
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Mécanismes de fossilisation
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Diagramme de VAN KREVELEN
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Combustibles fossiles d’origine marine
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I.2.2 Composition des combustibles La composition chimique est une caractéristique importante d’un combustible (elle en définit sa nature). Elle est représentée par les proportions de ses divers constituants (éléments ou composition chimiques) contenues dans une quantité déterminée du combustible, et exprimées soit en masses par unité de masse de combustible, pour les combustibles solides ou liquides, soit en volumes par unité de volume du combustible, pour les combustibles gazeux. Unités: de masse le kg et de volume le m3N (le mètre cube Normal), qui représente la quantité de gaz qui remplit 1m3 lorsque les conditions de pression et de température sont normales (i.e. 1 bar et 0°C).
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La composition générale des combustibles courants est donnée ci-dessous. On y distingue les combustibles suivants accompagnés de leurs compositions générales. Constituants
Solide C, H2O, Cendres
Combustibles Courants
Charbons Anthracites, Bois
Liquide C ; H2 : S
Gaz, Hydrocarbures Mélanges CnHm, N2 , CO2
FOD Gaz naturels, Butane et Fiouls lourds n°1 et 2 Propane commerciaux, Air propané
Pour les combustibles liquides (il s’agit des % en masse) : C%
S%
H%
O%
N%
84,3
0,5
12,4
2
0,8
Fioul lourds n°1
85
2
11,5
0,7
0,8
Fioul lourds n°2
85
2
11
0,7
0,8
Fioul domestiques (FOD
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Pour les combustibles gazeux (il s’agit des % en volume) LACQ
GRONINGUE
SAHARA, LE HAVRE MER DU NORD
URSS
CH4%
97,3
82,9
87
88,6
92,3
C2H6%
2,1
3,2
9,4
4,6
3,2
C3H8%
0,2
0,6
2,6
1,1
0,8
C4H10 %
0,1
0,2
0,6
0,3
0,2
C5H12 %
-
0,1
-
0,1
0,1
CO2%
-
1
-
1,4
0,4
N2%
0,3
12
0,4
3,9
3
ρ (kg/m3) Mass.vol
0,74
0,83
0,82
0,81
0,78
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I.3 COMBURANT
L’oxygène nécessaire à la combustion est amené par un comburant, celui-ci peut être de l’air atmosphérique ou de l’air suroxygéné. La composition moyenne en volume de l’air atmosphérique sec est la suivante: Oxygène : 20,8% Azote : 78,2% Argon : 0,93% Hydrogène, Hélium, Néon Krypton, Xénon, Ozone : traces Gaz carbonique : 0,03% Pour les calculs relatifs à la combustion, nous considérons que la proportion en volume est de 20,8% d’oxygène pour le complément en azote soit 79,2% N. EL MEJDOUB
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La proportion en poids est alors: 32 × 20,8/22,4 = 29,7 g d’oxygène 28 × 79,2/22,4 = 99 g d’azote Exprimée en pour-cent la proportion en poids d’oxygène et d’azote est la suivante: [29,7/(29,7+99)] × 100 ≈ 23% d’oxygène [99/(29,7+99)] × 100 ≈ 77% d’azote Dans certaines applications et notamment en métallurgie, on utilise de l’air suroxygéné pour obtenir des températures de combustion plus élevée. Si on ajoute x m3 d’air atmosphérique, nous aurons (I + x) m3 d’air suroxygéné dont la teneur en oxygène sera: (0,208 + I)/(I + x) × 100 A la limite, cette teneur peut atteindre 100% lorsqu’on effectue une combustion dans l’oxygène pur. N. EL MEJDOUB
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I.4 PRODUITS DE COMBUSTION
La combustion conduit à la formation de résidus solides et gazeux. Les résidus solides sont constitués par: - les cendres que l’on recueille dans les foyers sous forme pulvérulente ou à l’état de mâchefers. - le carbone imbrûlé que l’on trouve dans les cendres ou les mâchefers. - les particules de fine granulométrie qui se trouvent en suspension dans les fumées et qui constituent les suies. Les résidus gazeux ou fumées sont constitués de: Principalement Éventuellement 1. CO2 5. O2 2. SO2 6. CO 3. H2O 7. NOx : NO, NO2 4. N2 8. SO3 9. H2 10. Imbrûlées solides ou gazeux N. EL MEJDOUB
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La présence et le pourcentage de ces constituants présents dans les produits de combustion permettent: a) de définir le type de combustion b) d’envisager les risques potentiels: - d’asphyxie pour les personnes - de corrosion du matériel (chaudières, conduits de fumées) - de pollutions atmosphériques c) d’affiner les réglages du brûleur et d’améliorer les rendements
I.4.1 Compléments sur les NOx Ils ne sont pris en compte dans les équations de combustion classique, et sont à l’origine des pluies acides par formation d’acide nitrique. Dans les chaudières conventionnelles se dégagent exclusivement du NO, le NO2 se formant grâce à l’oxygène ambiant en sortie de cheminée.
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On distingue trois mécanismes de formation de NO: - le NO primaire (prompt Nox) formé par réaction de l’oxygène libre présent dans l’excès d’air. - le NO combustible dû à la présence d’azote organique dans le combustible (fioul et charbons) et à l’oxygène si la température de combustion dépasse 1000°C. - le NO thermique est prédominant dans les chaudières gaz et fiouls, sa formation est liée à la concentration d’oxygène et à la durée de passage de l’air comburant dans la zone de flamme où la température dépasse 1200°C (600 ppm à 1600°C). De nouvelles technologies sur les brûleurs gaz, annihilant quasiment la flamme (brûleur hémisphérique radiant MATRIX de VIESMANN), ou les brûleurs à flamme bleue avec vaporisation du fioul et recirculation des fumées sur la flamme contribuent à une très forte réduction des NOx. N. EL MEJDOUB
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I.4.2 Teneur en SO2 et en SO3,corrosion sulfurique Le soufre présent dans un combustible peut se trouver associé aux matières minérales sous forme de sulfates. Il peut aussi être présent sous forme de composés organiques et de sulfures qui sont détruits lors de la combustion. Le soufre se trouve alors entraîné dans les fumées sous forme de SO2 et SO3. Certains combustibles comme les fiouls lourds n°2 peuvent contenir jusqu’à 4% de soufre. En combustion neutre, ce soufre se retrouve sous forme de SO2. Avec un excès d’air, il se produit la réaction: SO2 + ½ O2 SO3 Cette réaction sera favorisée par une augmentation de la concentration en oxygène donc de l’excès d’air et, comme elle est exothermique, elle sera plus importante à basse température. Le rapport: r = [SO3/(SO3 + SO2)] × 100 peut atteindre 3 à 4%. N. EL MEJDOUB
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Lorsqu’il y a condensation de vapeur d’eau, SO3 forme avec celui-ci H2SO4 qui corrode les surfaces métalliques située dans les parties froides du circuit fumées. Les moyens mis au point contre la formation de H2SO4 et lutter contre les corrosions des surfaces à basse température (au dessous de 150°C), utilisent des produits agissant: - comme anti-catalyseur de la conversion SO2 SO3 - comme neutralisant de H2SO4 dans les circuits d’utilisation On peut, dans ce domaine: a) injecter par soufflage dans le foyer des substances solides finement pulvérisées (< 20µ ) comme la magnésie MgO ou la dolomie de quelques kilogrammes (1 à 5) par tonne de fioul. b) mélanger au combustible, au moment du remplissage des réservoirs de stockage, des additifs qui réduisent la conversion de SO2 en SO3 N. EL MEJDOUB
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c) injecter en fin de parcours des gaz, soit dans l’appareil d’utilisation, soit dans la cheminée, des substances gazeuses comme le gaz ammoniac. La proportion de gaz doit être déterminée pour ne former que du sulfate neutre d’ammonium.
I.5 MODES DE COMBUSTION
La combustion est complète si la totalité du combustible est oxydée. A contrario elle est incomplète s’il y a présence de combustible dans les fumées. La combustion est dite stœchiométrique, neutre ou théorique si l’air comburant est en quantité suffisante et strictement nécessaire à la combustion complète de l’unité de combustible. Les fumées ne contiennent pas d’oxygène. la combustion est oxydante ou en excès d’air si une partie de l’air comburant est utilisée pour l’oxydation du combustible, l’autre partie se retrouvant dans les fumées. N. EL MEJDOUB
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La combustion est dite réductrice ou en défaut d’air si le volume d’air admis pour la combustion de l’unité de combustible est inférieur au volume d’air stœchiométrique; l’oxygène y est néanmoins totalement utilisé donc pas de présence d’O2 dans les fumées, mais il y a formation de monoxyde de carbone (CO).
I.6 CONDITIONS NÉCESSAIRES À LA COMBUSTION
La combustion n’est pas spontanée; il ne se fait pas de mettre en contact un combustible industriel avec l’oxygène pour la déclencher. Il faut, en plus, créer des conditions favorables à l’initiation, au développement et au maintien de cette combustion. Nous présentons succinctement dans cette section les trois conditions essentielles au processus de combustion: La température du combustible doit être portée et maintenue à une température suffisamment élevée, supérieure à la température d’inflammation, pour compléter toutes les réactions de combustion. N. EL MEJDOUB
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Un bon mélange entre l’air et le combustible doit être assurer. La composition du mélange doit être adéquate pour assurer des conditions favorables de combustion. Le temps de séjour du mélange, dans la zone de combustion doit être suffisamment long pour assurer la combustion complète de combustible.
I.6.1 Température d’inflammation La température d’inflammation est la température minimale en dessous de laquelle le combustible ne peut brûler. Pour initier et maintenir la combustion, il faut donc préalablement porter le combustible au-dessus de cette température et maintenir cette condition dans l’enceinte où se produit la combustion.
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Combustibles
T°C/Inflammation
Combustibles
T°C/Inflammation
Hydrogène
550
Carbone
700
Oxyde de carbone
300
Charbon de terre
325
Méthane
650
Charbon de bois
360
Gaz de four à Coke
800
Coke
700
Tourbe
225
Hydrocarbures lourds
600 à 800
Température d'Inflammation de quelques combustibles usuels gazeux, liquides ou solides.
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I.6.2 Mélange air-combustible
Il arrive que même avec un excès d’air, une combustion puisse être incomplète lorsque l’air et le combustible ne sont pas convenablement mélangés. Il est nécessaire d’avoir un mélange aircombustible aussi « intime » que possible pour assurer une combustion complète. Ainsi pour les combustibles liquides, ce mélange « intime » avec l’air est assuré par une atomisation du combustible en fines gouttelettes. la composition du mélange air-combustible est un paramètre important de la combustion. Il est en effet nécessaire d’avoir des proportions convenables d’air et de combustible pour assurer une combustion complète.
I.6.3 Temps de séjour
Après atomisation, les fines gouttelettes du combustible doivent passer suffisamment de temps dans la zone de combustion pour rentrer en contact et réagir avec l’oxygène de l’air. N. EL MEJDOUB
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Ainsi un débit d’air trop fort par exemple, limitera le temps de séjour de ces gouttelettes qui seront entraînées dans les fumées avant d’avoir eu le temps de brûler.
I.7 PHYSICO-CHIMIE DE LA COMBUSTION
I.7.1 Nombre de moles - Masse Molaire - Volume Molaire : Relations Désignations Unités n : Nombre de moles mol ou kmol n = mm: Masse du corps mg ou kg n= M M M : Masse molaire du corps g/mol ou kg/kmol n : Nombre de moles mol ou kmol 3 n = VV : Volume du corps L ou m Vm Vm : Volume molaire du corps L/mol ou m3/kmol
A 0°C, sous la pression atmosphérique normale de 101325 Pa, le volume molaire des gaz est égal à : Vm = 22.4 litres/mol ou Vm = 22.4 m3/kmol N. EL MEJDOUB
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I.7.2 Caractéristiques chimiques des composants Corps
Symbole Masse molaire
Caractéristiques physiques
Oxygène
O2
32g/mol
Densité de 1,1 c’est un agent actif de la combustion, qui est incolore, inodore et sans saveur
Azote
N2
28g/mol
Densité de 0,97 c’est un gaz neutre inodore, incolore et sans saveur
Air
28,9g/mol
Densité de 1
Air atmosphérique
Hydrogène
H
1g/mol
Densité de 0,07, il est présent dans tous les combustibles
Carbone
C
12g/mol
État solide (bois-charbon), état liquide ou gazeux (hydrocarbures)
Soufre
S
32g/mol
Densité de 2,85 corps solide de couleur jaune
Gaz carbonique
CO2
44g/mol
Densité de 1,5 inodore, saveur acide odeur piquante
Monoxyde de carbone
CO
28g/mol
Densité de 0,97 il est dangereux car toxique; incolore, inodore et sans saveur
Vapeur d’eau
H2 O
18g/mol
Présence sous forme liquide ou gazeuse
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I.7.3 Équations chimiques élémentaires Combustion (ou oxydation) du carbone : C + O2 CO2 [kmol] 1 1 1 [kg] 12 32 44 3 [m ] --22.4 22.4 Combustion (ou oxydation) du soufre : S + O2 SO2 [kmol] 1 1 1 [kg] 32 32 64 [m3] --22.4 22.4
+
+
+
+
Chaleur [kJ] 394.103
Chaleur [kJ] 320.103
Combustion (ou oxydation) du monoxyde de carbone : CO + ½ O2 CO2 + Chaleur [kJ] [kmol] 1 ½ 1 + 284.103 [kg] 28 16 44 [m3] 22.4 11.2 22.4 N. EL MEJDOUB
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Combustion (ou oxydation) de l’hydrogène : H2 + ½ O2 H2O + [kmol] 1 ½ 1 + [kg] 2 16 18 [m3] 22.4 11.2 22.4 Combustion (ou oxydation) des hydrocarbures :
[kmol] [kg] [m3]
CnHm + 1 12n+m 22.4
(n+m/4) O2 n+m/4 32(n+m/4) 22.4(n+m/4)
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Chaleur [kJ] 288.103
nCO2 + n + 44n 22.4n
(m/2)H2O m/2 9m 22.4(m/2)
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I.8 POUVOIRS CALORIFIQUES
I.8.1 Définition On appelle « pouvoir calorifique » la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d’un kilogramme de combustible solide ou liquide ou d’un m3 de combustible gazeux pris à la température T et à la pression P. La chaleur ainsi libérée dépend: - des conditions particulières dans lesquelles s’effectue la combustion - de l’état initial du système - de l’état final du système Il sera donc nécessaire de préciser: - le type de combustion réalisée (à pression constante ou à volume constant) - la température et la pression du combustible et du comburant avant la combustion - la température et la pression des produits de combustion N. EL MEJDOUB
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- l’état physique de l’eau présente dans les produits de combustion: eau condensée, eau à l’état de vapeur.
Ceci conduit à considérer quatre pouvoirs calorifiques: le pouvoir calorifique supérieur à pression constante (Pcs)p où l’eau étant condensée, on récupère sa chaleur latente de vaporisation. le pouvoir calorifique inférieur à pression constante (Pci)p où l’eau reste sous forme de vapeur. le pouvoir calorifique supérieur à volume constant (Pcs)v où l’eau est à l’état condensée. le pouvoir calorifique inférieur à volume constant (Pci)v où l’eau se retrouve à l’état vapeur. Les pouvoirs calorifiques sont exprimés en kcal/kg ou kj/kg, en kcal/m3 ou kj/m3. On sait par ailleurs que : 1 kcal = 4,185 kj
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I.8.2 Relation entre le pouvoir calorifique à pression constante et le pouvoir calorifique à volume constant Les pouvoirs calorifiques sont déterminés expérimentalement par calorimétrie. Le combustible et le comburant sont pris à la température initiale TI et la pression PI. On effectue la combustion à pression ou à volume constant. On ramène les produits de combustion à la température initiale (TF = TI) et on détermine la quantité de chaleur dégagée. Entre l’état initial (I) et l’état final (F), on peut appliquer le principe de l’équivalence (1er principe de la thermodynamique); on obtient la relation: W + Q = UF - UI Si la combustion est effectuée à volume constant, le travail est nul et l’on déduit: - (Pc)V = UF - UI N. EL MEJDOUB
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Ou encore
(Pc)V = UI – UF
Si la combustion est effectuée à pression constante, le travail de la dilatation a pour expression: W = - P (VF – VI) On en déduit : -(Pc)P = (UF + PVF) - (UI + PVI) = HF – HI (différence d’enthalpie) Finalement:
(Pc)P = HI – HF
La différence entre le pouvoir calorifique à pression constante et le pouvoir calorifique à volume constant est: (Pc)P - (Pc)V = ( HI – UI) – (HF – UF) = P (VI – VF) N. EL MEJDOUB
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Application: Brûlons du carbone pur. La réaction d’oxydation est: C + O2 → CO2 En négligeant le volume de carbone devant le volume du comburant est le volume des produits de combustion, on en déduit: Vo2 = Vco2, i.e, VI = VF Le travail de dilatation est nul et: (Pc)P = (Pc)V Brûlons du méthane à la pression atmosphérique. La réaction d’oxydation est: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O Si l’eau est à l’état de vapeur, le volume de combustible est du comburant ( VI) est égal au volume des produits de combustion (VF) et (Pci)P = (Pci)V Si l’eau est condensé, la différence entre VI et VF est : N. EL MEJDOUB
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VI – VF = 2 × volume de gaz brûlé Comme le pouvoir calorifique est ramené au m3 de gaz brûlé: V I – V F = 2 m3 La pression atmosphérique = 101325 Pa, on aura: W = 101325 × 2 = 202,650 kj = 48,4 kcal ou encore: (Pcs)P - (Pcs)V = 48,4 kcal/m3 = 202,65 kj/m3. Le (Pcs)P du méthane égale à 9500 kcal/m3. D’où, généralement on ne fait pas de distinction entre le (Pc)P et le (Pc)V pour des pressions voisines de la pression atmosphérique
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1.8.3 Influence de la température du combustible, du comburant et des produits de combustion sur le pouvoir calorifique rapporté à l’unité de masse. Les pouvoirs calorifiques sont exprimés par rapport à une température et une pression de référence. normales : température de 0°C, pression atmosphérique standard : température de 25°C, pression atmosphérique Lors de l’expérimentation, le combustible, le comburant et les produits de combustion sont pris à la température ambiante laquelle diffère des conditions de référence. Quelle est l’erreur commise ? Si nous nous référons aux pouvoirs calorifiques déterminés à pression constante, nous pouvons écrire: (Pc)0°,P = HI - HF (Pc)T,P = HI’ - HF’ N. EL MEJDOUB
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On en déduit: (Pc)T,P - (Pc)0°,P = (HI’ - HI) – (HF’ - HF) Or HI’ - HI = Σ M Cp T HF’ - HF = Σ M’ C’p T Expressions dans les quelles: Σ M Cp = somme des capacités calorifiques à pression constante du combustible et du comburant Σ M’ C’p = somme des capacités calorifiques à pression constante des produits de combustion On en déduit: (Pc)T,P - (Pc)0°,P = Σ M Cp T - Σ M’ C’p T A volume constant, on aurait une expression similaire: (Pc)T,V - (Pc)0°,V = Σ M CV T - Σ M’ C’V T avec: Σ M Cv = somme des capacités calorifiques à volume constant du combustible et du comburant Σ M’ C’V = somme des capacités calorifiques à volume constant des produits de combustion N. EL MEJDOUB
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Les applications numériques montrent qu’au voisinage de la température ambiante, la correction est négligeable. (Pc)T,P ≈ (Pc)0°,P
1.8.4 Cas des combustibles gazeux Pour les combustibles gazeux, le pouvoir calorifique est généralement rapporté à l’unité de volume exprimé dans les conditions normales (0°C, 760 mmHg). On sait que la masse volumique ρ est la masse de l’unité de volume. Par application du paragraphe précédent, on en déduit le pouvoir calorifique volumique par la relation:
d’où:
Pc = Pc ρ T, P ρ 0°, P
( Pc ) 0°,760 = ( Pc ) T,P × ρρ0°,760
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T,P
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L’application de la loi des gaz parfaits donne directement le pouvoir calorifique rapporté au volume normal, soit: T × 760 ( Pc ) 0°,760 = ( Pc ) T,P × 273 P
1.8.5 Relation entre le pouvoir calorifique supérieur Pcs et le pouvoir calorifique inférieur Pci: Par définition, la différence entre le Pcs et le Pci représente la chaleur latente de condensation de la vapeur d’eau présente dans les fumées. Celle-ci provient de l’eau du combustible et de la combustion de l’hydrogène. a) Combustibles solides: Le pouvoir calorifique peut s’exprimer : - sur combustible pur (supposé sans eau ni cendres) N. EL MEJDOUB
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- sur combustible sec (supposé sans eau) - sur combustible sec à l’air lorsqu’il est rapporté à la masse de combustible supposé ne contenir que l’eau de rétention et les cendres - sur combustible brut lorsqu’il rapporté au combustible réel (contenant l’eau superficielle, l’eau de rétention, les cendres).
Posons : E%: teneur globale en eau du combustible (eau superficielle + eau de rétention) e%: teneur en eau du combustible sec à l’air (eau de rétention) K%: teneur en cendres exprimée sur combustible sec H%: teneur en hydrogène sur combustible brut (on exclut de cette teneur l’hydrogène contenu dans l’eau et les cendres) H% (pur): teneur en hydrogène sur combustible pur telle qu’elle figure dans les divers systèmes de classification. la relation: H% = H%(pur) × 100 − K% × 100 − E% 100 100 N. EL MEJDOUB Combustion (2008/09)
Permet de relier les deux expressions de la teneur en hydrogène. Par kg de combustible brut, le poids d’eau est:
w = E% + 9 × H% 100 100
kg d' eau/kg de combustible brut
Le deuxième terme de cette expression représente l’eau formée par la combustion de l’hydrogène. De la relation d’oxydation: H2 + 1/2 O2 → H 2O On constate en effet que 1 kg d’hydrogène conduit à la formation de 9 kg d’eau. La chaleur latente de condensation de la vapeur d’eau, pour les pressions partielles rencontrées dans les fumées, est de 597 kcal/kg d’eau. On en déduit:
(
Pcs − Pci = 597 × E% + 9 × H% 100 100
)
N. EL MEJDOUB
kcal/kg de combustible Combustion (2008/09)
exprimé su combustible brut:
(
)
E% H% Pci = Pcs − 597 × +9× kcal/kg de combustible 100 100 b) Combustibles liquides La différence entre le pouvoir calorifique supérieur et le pouvoir calorifique inférieur est donnée par une relation identique à celle des combustibles solides. On en déduit:
(
)
Pci = Pcs − 597 × E% + 9 × H% kcal/kg de combustible 100 100 c) Combustibles gazeux L’eau présente dans les fumées provient de la vapeur d’eau que contient le combustible gazeux ainsi que de l’eau formée par combustion de l’hydrogène et des hydrocarbures. Les teneurs: E%/100, H%/100, Σ (CnHm%/100) seront exprimées par rapport au volume de gaz. N. EL MEJDOUB
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Les équations de combustion s’écrivent: H2 + 1/2 O2 = H2O CnHm
+
1 vol. 1 vol. (n + m/4) O2 = n CO2 + m/2 H2O
1 vol. m/2 vol. Le volume de vapeur d’eau contenu dans les fumées est: 3 3 VH O = E% + H% + ∑ m CnHm% m / m N de gaz brûlé 100 100 2 100 2
Puisque un volume molaire de vapeur d’eau soit 22,4 litres (ou 22,4 m3) correspond à une masse molaire de 18 g (ou 18 kg), on en déduit:
(
w = 18 E% + H% + ∑ m CnHm% 22,4 100 100 2 100 D’où: Soit:
( (
)
kg d' eau/ m3 N de gaz
) )
Pcs − Pci = 597 × 18 E% + H% + ∑ m CnHm% 22,4 100 100 2 100 Pci = Pcs − 597 × 18 E% + H% + ∑ m CnHm% 22,4 100 100 2 100 N. EL MEJDOUB Combustion (2008/09)
Remarques: - Si le comburant est de l’air humide, l’eau qu’il apporte est supposée rester à l’état de vapeur et n’intervient pas dans le calcul des pouvoirs calorifiques inférieur et supérieur. - L’hypothèse de la condensation totale de la vapeur d’eau faite pour définir le pouvoir calorifique supérieur n’est pas exactement vérifiée. Dans la détermination expérimentale du Pcs, les gaz de combustion ramenés à la température ambiante, sont presque toujours saturés d’eau. Toutefois, l’erreur est négligeable. Applications: a) Soit un charbon flambant secs. Sa composition moyenne sur combustible pur est: C%= 82,4%, H%= 5,6%, O%= 10,5%, N%= 1,5%, le Pcs sur pur = 8.150 kcal/kg ou 34.108 kj/kg Calculer le Pci sur pur. N. EL MEJDOUB
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w = 9 × H% = 9 × 5,6 = 0,504 kg d' eau 100 100 Pcs − Pci = 0,504 × 597 = 300 kcal/kg D’où,
Pci = 8.150 – 300 = 7.850 kcal/kg ou 32.850 kj/kg
Sur brut, ce charbon à une teneur en eau E%=6%. Sa teneur en cendres est K%=8%. Calculer le Pcs et le Pci. Teneur en hydrogène sur combustible brut:
Poids d’eau w:
H% = H%(pur) × 100 - K% × 100 − E% 100 100 H% = 5,6 × 100 - 8 × 100 − 6 = 4,8% 100 100
w = E% + 9 × H% = 0,06 + 9 × 0,048 = 0,492 kg d' eau 100 100 N. EL MEJDOUB
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Calcul du Pcs sur brut: Pcs(brut) = Pcs(pur) × 100 − K% × 100 − E% 100 100 Pcs(brut) = 8.150 × 0,92 × O,94 = 7.048 kcal/kg ou 29.496 kj/kg
Pcs - Pci = 0,492 × 597 = 294 kcal/kg Pci(brut) = 7.048 - 294 = 6.754 kcal/kg charbon ou 28.4265 kj/kg b) Soit un fuel lourd N°2 de composition moyenne: C = 85%, H = 11%, N = 0,5%, S = 2,5%, O = 1% Pcs = 10.250 kcal/kg ou 42.896 kj/kg Dans un fuel, la teneur en sédiments et la teneur en eau sont négligeables. Le poids d’eau formée est : w = 9 × H% = 9 × 11 = 0,99 kg/kg fuel 100 100 Pcs - Pci = 0,99 × 597 = 591 kcal/kg fuel N. EL MEJDOUB
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D’où Pci = 10.250 – 591 = 9.659 Kcal/kg fuel ou 40.423 kj/kg L’écart relatif est: 591 × 100 = 5,7% 10.250 c) Soit de l’hydrogène pur, son pouvoir calorifique supérieur est: Pcs = 3.090 kcal/m3N ou 12,931 kj/m3N. Le volume d’eau contenu dans les fumées est: VH O = H% − 100 = 1 m3 100 100 Poids d’eau correspondant: 2
On en déduit:
w = 18 × 1 = 0,80 kg/ m3 N de gaz 22,4 Pcs - Pci = 0,80 × 597 = 478 kcal/kg
Pci = 3.090 – 478 = 2.612 kcal/m3N de gaz ou 10.931 kj/m3N Écart relatif:
478 × 100 = 15,5% 3.090 N. EL MEJDOUB
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L’écart relatif entre le Pcs et le Pci est de l’ordre de: • 2 à 4% pour les charbons • 6 à 8% pour les fuels • 0 è 15% pour les combustibles gazeux.
1.8.6 Détermination expérimentale des pouvoirs calorifiques a) Détermination du Pcs à volume constant: La détermination du pouvoir calorifique supérieur à volume constant s’effectue à la bombe calorimétrique par combustion dans l’oxygène pur sous pression, d’un gramme de combustible solide ou liquide. La quantité de chaleur dégagée est utilisée pour élever de T1 à T2 la température d’un poids P d’eau. L’égalité des quantités de chaleur dégagée et de quantités de chaleur absorbée par l’eau du calorimètre permet de déterminer le pouvoir calorifique supérieur à volume constant. N. EL MEJDOUB
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b) Détermination du Pcs à pression constante: On utilise un calorimètre à circulation d’eau analogue à une chauffe eau. On réalise la combustion continue du gaz dont on veut connaître le Pc à l’aide d’un brûleur alimenté à débit fixe. Les produits de combustion circulent dans un échangeur parcourus par un débit constant d’eau. En régime établi, on mesure la température de l’eau à l’entrée et à la sortie de l’échangeur, le poids d’eau écoulé, le volume de gaz brûlé. L’égalité des quantités de chaleur cédée et absorbée permet de déterminer le pouvoir calorifique supérieur à pression constante.
1.8.7 Calcul des pouvoirs calorifiques à partir de la composition élémentaire. a) Combustibles solides Les combustibles solides sont formés de carbone, d’hydrogène, de soufre, d’azote, d’oxygène. Si on connaît leur composition élémentaire sur combustible pur, on est tenté de calculer leur pouvoir calorifique supérieur à partir des chaleurs de réaction avec l’oxygène de leurs divers constituants. N. EL MEJDOUB
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Formule de DULONG et PETIT Pcs = 80,8 C% + 344 H% + 25 S% - (344/8) O% kcal/kg Cette formule n’est pas satisfaisante pour deux raisons: - l’oxygène est supposé associé à l’hydrogène sous forme d’eau de constitution - les corps simples qui constituent le combustible sont combinés entre eux et l’on ne tient pas compte de l’énergie nécessaire pour vaincre les forces de liaison. Formules de VONDRACEK Pcs = 85 C% + 270 H% + 25 S% - 27 O% Kcal/kg Pcs = (89,1 - 0,067 C%) C% + 270 H% + 25 S% - 27 O% kcal/kg Ces formules sont un peu plus exactes que la formule de DULONG et PETIT mais leur intérêt pratique est très limité. N. EL MEJDOUB
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b) Combustibles Liquides On utilise les mêmes formules que pour les combustibles solides c) Combustibles gazeux Les combustibles gazeux industriels sont des mélanges de gaz combustibles comme CO, H2, C2H4, C3H8, C4H10 et d’inertes comme CO2, N2. Si on connaît la composition en volume du gaz utilisé, on pourra calculer son pouvoir calorifique à partir de ses constituants. Pc = ∑ x% ( Pc )x 100 Exemple: Calcul du Pcs d’un gaz ayant la composition suivante: CH4 = 87% ; C2H6 = 9% ; C2H4 = 2,5% ; N2 = 1,5% A partir des tables de PC de divers gaz, on en déduit: 87 × 9.500 + 9 × 16.815 + 2,5 × 15.290 = 10.160 Kcal/ m3 N ( Pcs )0,760 = 100 100 100 N. EL MEJDOUB
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Pouvoirs calorifiques de divers gaz Gaz
Pcs(0,760) (kcal/m3N)
Pci(0,760)
CO
3.066
(kcal/m3N) 3.066
H2
3.090
2.610
CH4
9.500
8.540
C 2H 6
16.815
15.376
C 3H 8
24.220
22.301
C4H10
31.800
29.400
C 2H 4
15.290
14.330
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Chapitre II: Combustion Théorique
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II.1 Définition
Comme nous l’avons vu précédemment, la combustion théorique encore appelée combustion stœchiométrique ou combustion neutre, est une combustion complète sans excès ni défaut d’oxygène (i.e. l’air comburant doit être en quantité suffisante et strictement nécessaire). C’est une combustion idéale dans laquelle les fumées ne contiennent que CO2, H2O, N2, SO2. On appelle caractéristiques stœchiométriques, les caractéristiques spécifiques de la combustion neutre d’un combustible dans les conditions normales de température et de pression, soit: Le pouvoir comburivore: quantité d’air théorique
Le pouvoir fumigène: quantité de fumées produites Le volume de CO2 produit Le volume de H2O produit N. EL MEJDOUB
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II.2 Le pouvoir comburivore C’est la quantité d’air sec strictement nécessaire et suffisante qu’il faut fournir pour assurer la combustion neutre de l’unité de combustible. Notation: Il s’exprime en poids (Pa) ou en volume (Va) Unités: [kg N d’air/m3N de combustible] [kg N d’air/kg N de combustible] [m3 N d’air/m3N de combustible] [m3 N d’air/kg N de combustible] Relation:
Va = VO2
VN2 : volume d’azote
+ VN2
avec VO2 : volume d’oxygène nécessaire
Va = VO2 /(%O2 en volume dans l’air) = VN2 /(%N2 en volume dans l’air) Soit Va = VO2 /0,21 = VN2 /0,79 et
Pa = m02 /0,23 = mN2 /0,77 N. EL MEJDOUB
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II.3 Les pouvoirs fumigènes On appelle Pouvoir fumigène le poids ou le volume de fumées dégagées par la combustion neutre d’un kg de combustible solide ou liquide ou d’un m3 N de combustible gazeux. On l’exprime: a) sur fumées humides lorsque l’eau est à l’état de vapeur: (Pf) et (Vf) Pf : kg N de fumées humides/kg N de combustible ou kg N de fumées humides /m3N de combustible. Vf : m3N de fumées humides/kg N de combustible ou m3N de fumées humides /m3N de combustible Le poids ou le volume de fumées humides intervient dans le calcul des pertes par chaleur sensible à la cheminée. b) sur fumées sèches lorsque l’eau présente dans les fumées est condensée (Pf’) et (Vf’) N. EL MEJDOUB
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Pf’ : Vf’ :
kg N de fumées sèches/kg N de combustible ou kg N de fumées sèches/m3N de combustible. m3N de fumées sèches/kg N de combustible ou m3N de fumées sèches /m3N de combustible
Le poids ou le volume de fumées sèches intervient dans l’analyse des fumées et le contrôle de la combustion.
II.4 Les proportions des constituants
Elles représentent le rapport entre la quantité du constituant choisi et la quantité totale des fumées, découlant de la combustion neutre de l’unité de combustible. Ayant deux pouvoir fumigènes, on définira donc, pour chaque constituant, deux pourcentages. a) Pourcentage de CO2 la teneur en CO2 des fumées neutres intervient dans le contrôle de la combustion. On l’exprime sur fumées sèches et on la désigne par α ’CO2 % N. EL MEJDOUB
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Relations:
α
CO2
= (VCO2/Vf) × 100
b) Pourcentage de O2: Notation: α O2 Relations:
α
O2
Unité:
Relations:
α
N2
Unité:
Unité:
et α ’O2 = (VO2/Vf’) × 100
[%]
= (VN2/Vf) × 100
b) Pourcentage de H2O: Notation: α H2O Relation:
[%]
= (VO2/Vf) × 100
c) Pourcentage de N2: Notation: α N2
et α ’CO2 = (VCO2/Vf’) × 100
et α ’N2 = (VN2/Vf’) × 100
[%]
α ’H2O = (VH2O /Vf’) × 100 N. EL MEJDOUB
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II.5 Composition des combustibles solides, liquides, gazeux C’est à partir de la composition élémentaire du combustible que l’on calcul le pouvoir comburivore, le pouvoir fumigène et les proportions des constituants (teneur en CO2,…) a) Combustibles solides On connaît les proportions en poids: - E%: teneur en eau exprimée sur combustible brut - K%: teneur en cendres exprimée sur combustible sec - (C%): teneur en carbone exprimée sur combustible pur - (H%): teneur en hydrogène ----- (S%): teneur en soufre ----- (O%): teneur en oxygène ----- (N%): teneur en azote ----N. EL MEJDOUB
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Nous exprimons les teneurs en carbone, hydrogène, soufre, oxygène, azote sur combustible brut soit:
C% = (C%) × 100 − E% × 100 − K% 100 100 ……………… ………………
N% = (N%) × 100 − E% × 100 − K% 100 100 b) Combustibles liquides La teneur en eau et la teneur en cendres sont négligeables. On pourra utiliser directement les teneurs C%, H%, S%, O%, N% sur combustible pur. c) Combustibles gazeux On connaît la composition en volume exprimée sur combustible sec. A la température ambiante, la vapeur d’eau associé à un combustible gazeux est négligeable. Il n’ya pas lieu d’effectuée de correction. N. EL MEJDOUB
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II.6 Calcul des caractéristiques de la combustion neutre des combustibles solides et liquides a) Pouvoirs comburivores Pa et Va Le poids d’oxygène nécessaire pour brûler 1 kg de combustible solide (sur brut) ou 1 kg de combustible liquide est donné par l’expression:
32 C% + 16 H% + 32 S% - O% PO2 = 12 100 2 100 32 100 100
Puisque la proportion en poids d’oxygène dans l’air est de 23%, on en déduit le poids de l’air:
100
Pa = que 1Pm kg d'air/kg de combustible 3 On sait par ailleurs 23 O2 d’air dans les conditions normales pèse 1,293 kg/m3, d’où le volume d’air: Va =
Pa 1,293
3 m N d' air/kg de combustible
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b) Pouvoirs fumigènes exprimés sur fumées humides Exception faite des matières minérales qui constituent les cendres, on retrouve dans les fumées les autres constituants du combustible. La conservation de la masse permet d’écrire:
(
)
Pf = Pa + 1 − K% 1 − E% ≈ Pa + 1 − K% 100 est 100 100 Le volume de fumées humides la somme:
- du volume des produits de la combustion VfO2 - du volume des inertes du combustible que l’on retrouve à l’état gazeux Vi - du volume d’azote VN2 amené par le comburant, ici l’air. Le calcul de VfO2 s’effectue à partir des équations de combustion: C + O2 = CO2 soit 22,4 m3 de CO2 pour 12 kg de carbone H2 + ½ O2 = H2O soit 22,4 m3 de H2O pour 2 kg d’hydrogène S + O2 = SO2 soit 22,4 m3 de SO2 pour 32 kg de soufre On en déduit:
N. EL MEJDOUB
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22,4 C% + 22,4 H% + 22,4 S% VfO2 = 12 100 2 100 32 100 Les inertes que l’on trouve à l’état gazeux dans les fumées sont constitués par l’eau et l’azote. On aura donc: Vi = 22,4 N% + 22,4 E% 28 100 18 100 La proportion d’azote dans l’air est, en volume, de 79,2% . On en déduit: 79,2 VN2 = 100 Va En définitive, le pouvoir fumigène exprimé sur fumées humides aura pour expression: Ou encore
Vf = Vf O2 + Vi + V N2
Vf = 22,4 C% + 22,4 H% + 22,4 S% + 22,4 N% + 22,4 E% + 79,2 Va 12 100 2 100 32 100 28 100 18 100 100 N. EL MEJDOUB
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c) Pouvoirs fumigènes exprimés sur fumées sèches Le pouvoir fumigène en poids a pour valeur: Pf’ = Pf – w w étant le poids d’eau rapporté au kg de combustible brûlé, soit: w = E% + 9 × H% 100 100 finalement: Pf' = Pf − E% + 9 H% 100 100 Le pouvoir fumigène en volume Vf’ est égal au pouvoir fumigène Vf sur fumées humides diminué du volume d’eau, soit Vf' = Vf − 22,4 E% − 22,4 H% 18 100 2 100 d’où Vf' = 22,4 C% + 22,4 S% + 22,4 N% + 79,2 Va 12 100 32 100 28 100 100
(
)
d) Masse volumique des fumées humides On aura, sur fumées humides: N. EL MEJDOUB
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ρ f = Pf Vf et sur fumées sèches: ρ'f = Pf' Vf' e) Teneur en CO2 des fumées sèches 22,4 C% α' CO % = VCO = 12 100 100 Vf' Vf' 2
2
II.7 Calcul des caractéristiques de la combustion neutre des combustibles gazeux Ces caractéristiques seront calculées à partir de la composition en volume du gaz. a) Pouvoirs comburivores Pa et Va Les équations de combustion sont les suivantes: CO + ½ O2 = CO2 soit ½ volume de O2 pour brûler 1 volume de CO. H2 + ½ O2 = H2O soit ½ volume de O2 pour brûler 1 volume de H2. CnHm+ (n+m/4)O2 = n CO2 + m/2 H2O soit (n+m/4) O2 pour 1 vol. de CnHm. N. EL MEJDOUB
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Comme il peut y avoir plusieurs hydrocarbures en présence, le volume d’oxygène nécessaire pour brûler 1 m3N de gaz est: 1 CO% + 1 H2% + ∑ ( n VO2 = 2 100 2 100
+ m 4
H% −O% ) C100 100 n
m
2
La proportion en volume d’oxygène dans l’air étant de 20,8%, on aura: Va = 100 VO2 m3 N/ m3 N de gaz 20,8 d’où l’on tire le poids d’air: Pa = 1,293 Va
kg/m3N de gaz.
b) Pouvoirs fumigènes exprimés sur fumées humides On retrouve dans les fumées le gaz et l’air. La conservation de la masse permet d’écrire: Pf = Pa + ρ g avec ρ g : masse volumique du gaz dans les C.N.P.T.
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Le volume de fumées humides est la somme des produits de combustion, des inertes et de l’azote du comburant, d’où: Vf = Vf O2 + Vi + V N2 le calcul de VfO2 s’effectue à partir des équations de combustion: CO + ½ O2 = CO2
soit 1 volume de CO2 pour 1 volume de CO
H2 + ½ O2 = H2O
soit 1 volume de H2O pour 1 volume de H2
CnHm+ (n+m/4)O2 = n CO2 + m/2 H2O soit n volume de CO2 et m/2 volume de H2O pour 1 volume de CnHm brûlé. On en déduit: Vf O2 = CO% + H2% + ∑ n CnHm% + ∑ m CnHm% 100 2 100 100 100 à ceci il faut ajouter: - les inertes du combustible:
CO2% + N2% 100 100
79,2 Va - l’azote amené par le comburant: 100 N. EL MEJDOUB
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Finalement, le volume de fumées humides a pour valeur: Vf =
CO% H2% CnHm% m CnHm% CO2% N2% 79,2 + + ∑n +∑ + + + Va 100 100 100 2 100 100 100 100
c) Pouvoirs fumigènes sur fumées sèches Pf’ = Pf – w Le poids d’eau w a pour expression: m CnHm% 18 H2% w= +∑ kg d'eau/ m3 N de gaz 2 100 22,4 100 d’où 18 H2% m CnHm% Pf'= Pf − +∑ 22,4 100 2 100 On obtient facilement le pouvoir fumigène en volume Vf’. CO% CnHm% CO2% N2% 79,2 V f' = + ∑n + + + Va 100 100 100 100 100 d) Masse volumique des fumées humides et des fumées sèches ρ f = Pf ρ'f = Pf' Vf Vf' N. EL MEJDOUB Combustion (2008/09)
e) Teneur en CO2 des fumées sèches: Le CO2 provient de la combustion du CO et des hydrocarbures, du CO2 sous forme d’inertes. On aura: CO% + ∑ n CnHm% + CO2% % α'CO 100 100 = VCO = 100 100 Vf' Vf ' 2
2
II.8 Relation entre le pouvoir calorifique et le pouvoir comburivore Pour les combustibles solides et liquides, le rapport du pouvoir calorifique supérieur (kcal/kg) au pouvoir comburivore est de l’ordre Pcs = 1000 kcal/ m3 N de 1000 Va Pour les combustibles gazeux, le rapport du pouvoir calorifique inférieur au pouvoir comburivore est grossièrement de l’ordre de Pci = 1000 kcal/ m3 N 1000 Va N. EL MEJDOUB
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Chapitre III: Combustion Pratique
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II.1 COMBUSTION OXYDANTE Dans un foyer, le temps de contact entre les éléments combustibles et l’oxygène est très limité. De ce fait, certaines molécules n’ont pas eu la possibilité de s’associer aux molécules d’oxygène. On constate alors la présence d’imbrûlés. Pour remédier à cet état de choses, on augmente la concentration en oxygène en admettant dans la chambre de combustion un volume d’air VA supérieur au pouvoir comburivore Va. L’excès d’air ainsi mis en œuvre dépend de la nature du combustible brûlé (solide, liquide, gazeux), de sa granulométrie (combustible solide en morceaux), du degré de pulvérisation (combustible liquide, charbon pulvérisé), de la turbulence au foyer, de la chambre de combustion. L’air en excès est distribué dans la zone de combustion (air primaire) et également en fin de combustion (air secondaire). N. EL MEJDOUB
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Le taux d’excès d’air e% est défini par la relation: e% = VA − Va 100 Va Comme nous l’avons vu, ci-dessus, il dépend de nombreux facteurs. Dans la conception d’un foyer, on peut en se basant sur l’expérience acquise, se fixer à priori le taux d’excès d’air. Toutefois, ce n’est que par le contrôle de la combustion que l’on peut à posteriori déterminer l’excès d’air optimum pour une installation en fonctionnement. Il faut remarquer qu’un excès d’air même important est impuissant à faire disparaître les imbrûlés si le matériel est défectueux (brûleurs en mauvaise état), mal conçu (chambre de combustion mal dimensionnée ou trop froide) ou inadapté au combustible brûlé. - Chaudières à charbon en grains --pulvérisé - Chaudières au fuel - Combustion des gaz riches --pauvres
e%= 50 à 70% e%= 30 à 50% e%= 5 à 20% e% = 5 à 10% e% = 0 à 5%
N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
La combustion est dite oxydante lorsque les produits de combustion sont exempts d’imbrûlés. La composition des fumées est alors la suivante: N2 – CO2 – H2O, éventuellement SO2 – SO3 , O2. II.1.1 Expressions du poids PA et du volume VA d’air utilisé Si Pa et Va représentent le pouvoir comburivore en poids et en volume, on aura: PA = Pa (1 + e% ) 100 VA = Va (1 + e% ) 100 Cette quantité d’air sera exprimée en kg/kg de combustible solide ou liquide, kg/m3N de combustible gazeux, m3N/kg ou m3N/m3N de combustible. II.1.2 Expressions du poids PF et du volume VF de fumées humides Si Pf et Vf représentent le pouvoir fumigène en poids et en volume, on aura: N. EL MEJDOUB Combustion (2008/09)
- Combustibles solides et liquides: PF = Pf + e% Pa = Pa (1 + e% ) + 1 − K% 100 100 100
kg/kg
- Combustibles gazeux: PF = Pf + e% Pa = Pa (1 + e% ) + ρg 100 100
kg/ m3 N
- Combustibles solides, liquides et gazeux: 3 3 3 VF = Vf + e% Va m N/kg ou m N/ m N 100 II.1.3 Expressions du poids PF’ et du volume VF’ de fumées sèches PF' = PF - w = Pf'+ e% Pa 100 VF' = Vf'+ e% Va 100
kg/kg ou kg/ m3 N 3 3 3 m N/kg ou m N/ m N
N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
II.1.4 Expressions des teneurs en CO2, O2, N2 des fumées sèches
Désignons par: VCO2, VO2, VN2 les volumes de gaz carbonique, d’oxygène, d’azote présents dans les fumées. α ’%, ω ’%, γ ’% les teneurs en CO2, O2, N2 de ces mêmes fumées. Nous pouvons écrire: - Teneur en gaz carbonique:
- Teneur en oxygène
-Teneur en azote
= V CO2 = 100 VF'
α'%
ω'% 100
γ '% 100
= V O2 = VF'
= V N2 = VF'
α'CO2 % Vf' 100
Vf'+
e%
100
20,8
e%
100
100
Vf'+
79,2 100
e% 100
Va
(2)
Va
Va (1 +
V f' +
Va
e% 100
e% 100
(1)
)+n
Va
(3)
L’azote provient du combustible (n en m3/kg ou m3N/m3N) et du comburant .
N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
On remarque que, lorsque le taux d’excès d’air e% croît, les teneurs ω ’% et γ ’% en oxygène et azote augmentent. La teneur α ’% en CO2 décroît. II.1.5 Diagramme de Grébel Des expressions (1) et (2), on peut en déduire:
ω'% 20,8
e%
=
100
Vf'+
α'% = % α'CO2
Va
e%
100
Va
Ajoutons ces deux expressions, on obtient:
ω'% 20,8
Vf'+
Vf' e% 100
Va e%
α' % + = 100 α' CO2 % e% 100
qui peut encore se mettre sous la forme:
α' % = α' CO2 % - α' CO2
Va + Vf'
Va + Vf' %
20,8
-1
ω' %
c’est l’équation d’une droite dans la pente (coefficient angulaire) est: % dα '% = − α' CO 2 ω '% dω ' % 20,8 N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
Dans le système de coordonnées ω ’%, α ’% on obtient le diagramme suivant, appelé diagramme de Grébel. Il permet pour chaque combustible, d’obtenir ω ’% en fonction de α ’% ou l’inverse. α ’%
Teneur en CO2
(α (α
’ ’
)1
CO2
CO2
(α
)2 ’
CO2
)3
ω ’% Teneur en O2
N. EL MEJDOUB
20,8%
Combustion (2008/09)
II.1.6 Diagramme de Bunte On peut faire deux remarques: - concernant le volume de (SO2 + SO3), celui-ci est faible devant le volume de CO2. On admet donc généralement : VCO2 = VCO2 + VSO2 + VSO3 - concernant l’azote du combustible. Sauf dans le cas des gaz pauvres, le volume d’azote provenant du combustible est négligeable devant celui provenant du comburant. Il est donc tout à fait justifié (sauf pour les gaz pauvres) d’exprimer le volume de fumées sèches sous la forme: VCO2 + VN2 + VO2 = VF’ (4) ou encore, puisque: γ '% V N2 α'% V CO2 ω'% V O2 = = = 100 VF' 100 VF' 100 VF' N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
α'%
Et en remplaçant dans (4): Ce qui conduit à la relation:
100
γ '% 100
Par ailleurs:
D’où
ω'% 100
e%
+
79, 2
=
100
ω'%
+
100
Va (1 +
Vf'+
e% 100
γ'% 100
e% 100
Va
)
=1
= 1−
α'% + ω'% 100
(5)
e%
20,8 100 100
Va = e% Vf'+ 100 Va
Vf'+ 100 Va =
e%
20,8 100 100
Va
ω'% 100
=
20,8
ω'%
e% 100
Va
En remplaçant dans la relation (5):
α'% = 100 - ω'% (
e% ) 0,208 e%
79,2 +
N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
C’est l’équation d’une droite dans le système de coordonnées α ’% et ω ’% avec comme paramètre l’excès d’air e%. Pour
- ω ’% = 0 - α ’% = 0
α ’% = 100 ω ’% = 20,8 e%/(79,2 + e%)
si e% = 0 si e% = ∞
ω ’% = 0 ω ’% = (20,8/[(79,2/e%)+1]) – 20,8
α%
% e2
=∞
ste
te cs
=c
=
e 1%
e% = 0
e%
ω% 20,8%
Toutes les droites à e% = constante convergent au point d’ordonnée 100. La droite e% = 0 est confondue avec l’axe des ordonnées, la droite e% = ∞ passe par le point d’abscisse 20,8 N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
II.1.7 Diagramme de Bunte-Grébel La combinaison du diagramme de Bunte et du diagramme de Grébel donne la construction de la figure suivante: α %
e% = 0
e%
=∞
(α ’ CO2 ) 1
(α ’CO2 )2 ω % 20,8 %
Remarque: Les combustibles solides contiennent de l’eau des cendres en quantité variable. On démontre que, pour une catégorie de combustible solide, les diagrammes de Bunte et Grébel sont indépendants de ces teneurs (sauf si K% = 100 ou E% = 100, cas sans intérêt pratique) N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
II.1.8 Contrôle d’une combustion oxydante Le diagramme de Bunte-Grébel montre qu’une combustion oxydante est entièrement définie lorsque l’on connaît: - les caractéristiques de la combustion neutre du combustible brûlé (α ’CO2%, Vf’, Va) ainsi que la teneur α ’ % en CO2 des fumées sèches. - les caractéristiques de la combustion neutre du combustible ainsi que de la teneur ω ’% en O2 des fumées sèches - les teneurs α ’ % et ω ’% en CO2 et en O2 des fumées sèches. a) Contrôle de la combustion oxydante à partir du combustible et de la teneur α ’ % en CO2 des fumées sèches. De la relation:
α'% 100
= V CO2 = VF'
α'CO2 % Vf' 100
Vf'+
e%
100
N. EL MEJDOUB
Va
Combustion (2008/09)
On en déduit:
e% 100
=
Vf' α'CO2 % - α'%
α'%
Va
b) Contrôle de la combustion oxydante à partir du combustible et de la teneur ω ’% en O2 des fumées sèches: De la relation:
20,8 e%
ω'%
Va
= V O2 = 100 100 e% 100 VF' Vf'+ Va 100
On en déduit:
e% 100
=
Vf'
ω '%
Va 20,8 − ω'%
N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
c) Contrôle de la combustion oxydante à partir des teneurs α ’ % et ω ’% en CO2 et en O2 des fumées sèches De la relation: 79,2 + e%
α' % =
On en déduit: e% = 100
100 − ω'% ( ) 0,208 e% 79,2% ω'% 100 0,208 (100 - α'%) - ω'%
d) On connaît les caractéristiques de la combustion neutre du combustible ainsi que les teneurs α ’ % et ω ’% en CO2 et en O2 des fumées L’excès d’air est exprimé par deux relations:
e%
= V f' 100 Va
α'CO2 % - α'% α '%
ω'% e% = Vf' 100 Va 20,8 - ω'% N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
Si la valeur de l’excès d’air calculé à partir de ces formules est la même, l’analyse des fumées est exacte. Dans le cas contraire, l’analyse des fumées est entachée d’erreur et il faut vérifier α ’% et ω ’%. II.1.9 Calcul des pertes de chaleur sensible et de chaleur latente des fumées Les pertes par chaleur sensible sont dues au rejet des fumées à une température de sortie TS bien supérieure à la température ambiante TA. Si PF est le poids de fumées humides, ces pertes sont données par l’expression : QS = Cmoy PF (TS – TA) kcal/kg ou kcal/m3N de combustible. Avec: Cmoy: chaleur massique moyenne des fumées (entre 0 et TS°C) soit: kcal/kg °C Cmoy = (0,24 + 0,00006 T S) 2 Les pertes par chaleur latente sont dues à la présence de vapeur d’eau, soit: N. EL MEJDOUB Combustion (2008/09)
QE = 597 w = Pcs – Pci Kcal/kg ou kcal/m3N de combustible. Dans cette expression: w: poids d’eau dans les fumées par kg ou m3N de combustible. II.1.10 Rendement de combustion Il est d’usage de se référer à la température TA et de le rapporter soit au Pcs, soit au Pci. Soit QP = chaleur perdue QG = chaleur introduite dans le générateur Le rendement de combustion R% Q est de la forme: R% = (1 − P ) 100 QG
a) Chaleur qui entre dans le générateur Chaleur latente amenée par kg ou m3N de combustible. C’est le Pcs ou le Pci exprimé en kcal/kg ou kcal/m3N. Chaleur sensible du combustible lorsqu’il est réchauffé par une source de chaleur extérieure au générateur (préchauffage d’un fuel lourd ou d’un gaz pauvre) N. EL MEJDOUB Combustion (2008/09)
QC = C’ × 1 × (TC – TA) QC = C’ × 1 × ρ g (TC – TA)
kcal/kg de combustible kcal/m3N de combustible
C’: chaleur massique du combustible. ρ g: masse volumique du combustible gazeux. TC: température d’entrée du combustible. Chaleur sensible du comburant qui peut se trouver à une température T’A supérieure à TA. Cette quantité de chaleur n’est à prendre en compte que si l’air est réchauffé par une source extérieure au générateur. QA = C’’ × ρ A × VA (T’A – TA) kcal/kg (kcal/m3N) de combustible C’’: chaleur massique de l’air ρ A: masse volumique de l’air dans les conditions normales VA: volume d’air en m3N/kg ou m3N/ m3N de combustible. N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
b) Chaleur perdue par les fumées et le générateur Pertes de chaleur sensible dans les fumées qui sont rejetées à une température TS. QS = Cmoy PF (TS – TA) ou
QS = Cmoy ρ
F
VF (TS – TA)
ρ F: masse volumique des fumées humides dans les conditions normales Pertes par chaleur latente des fumées. Elles se limitent ici à la chaleur latente de la vapeur d‘eau QE= 597 w = Pcs – Pci Pertes par les parois du générateur. Elles sont dûes aux échanges par convection et rayonnement avec le milieu extérieur et se déterminent expérimentalement. A titre indicatif, pour les chaudières de chauffage centrale, on aura sensiblement: Chaudières anciennes: 0,05 Pci ≤ QPG ≤ 0,07 Pci Chuadières modernes:
0,0025 Pci ≤ QPG ≤ 0,027 Pci. N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
c) Rendement de combustion On ne prend pas en compte les pertes par les parois du générateur. L’expression la plus générale du rendement de combustion est: QS + QH2O R% = (1 − ) 100 Pcs + QC + QA R% = (1 −
QS ) 100 Pci + QC + QA
II.1.11 Détermination du rendement de combustion par la formule de SER ou de SIEGRET Les pertes par chaleur sensible des fumées, définies par rapport à la température ambiante TA, s’écrivent: QS = Cmoy ρ F VF (TS – TA) On sait par ailleurs que: e% = Vf' α'CO2 % - α'% 100 Va α '% N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
On en déduit:
VF' = Vf'+ e% Va = Vf' α'CO2 % 100 α'%
Et:
VF = VF' ( VF ) = Vf' α'CO2 % ( VF V F' α'% VF' )
Les pertes par chaleur sensible deviennent alors: QS = Cmoy ρF Vf' α'CO % ( VF )(T S − TA) α'% VF' 2
Pour les installations de chauffage domestiques: QC = 0 QA = 0 Le rendement de combustion R% rapporté au Pci est: Pci − QS R% = × 100 Pci ou ρ Vf' α'CO2 % VF T S − TA R% = 100 − 100 Cmoy F ( ) Pci VF' α'% Pour un combustible donné et pour un domaine limité (température TS, excès d’air e%) on peut poser: N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
XA = 100
Cmoy ρF Vf' α'CO2 % VF = Cste
Pci
V F'
On obtient alors l’expression du rendement d’une combustion oxydante en fonction de la teneur α ’% en CO2 des fumées: R% = 100 − XA ( TS − TA) α'% a)
Pour les combustibles secs et non hydrogénés: VF = VF' = 1 VF' VF' le coefficient XA ne dépend pratiquement pas de l’excès d’air et de TS dans le domaine des chaudières.
b) Pour les combustibles humides et hydrogénés XA dépend de VF/VF’ Le coefficient XA varie entre les limites suivantes: - si e% = 0
V F = Vf
V F’ = V f ’
N. EL MEJDOUB
ρ F= ρ
f
Combustion (2008/09)
XA = 100
Cmoy ρF Vf' α'CO2 %
Pci
Vf
- lorsque e% tend vers l’infini: Vf + Va Vf + e% Va VF = 100 = e% 100 = 1 VF' Vf'+ e% Va Vf' + Va 100 e% 100 XA = 100
Cmoy ρF α'CO2 %
Pci
Vf'
II.1.12 Variante de la forme de SER ou SIEGERT On peut exprimer le volume de fumées VF en fonction de la teneur en oxygène ω ’% des fumées. On sait que: ou encore:
ω'% e% = Vf' 100 Va 20,8 - ω'%
ω'% ) e% Va = Vf' ( 100 20,8 - ω'% N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
Par ailleurs:
Et finalement:
VF' = Vf'+ e% Va = Vf' ( 100
ω'% + 1) 20,8 − ω'%
20,8 ) 20,8 − ω'%
VF' = Vf' (
20,8 VF = VF' VF = Vf' ( ) VF VF' 20,8 − ω'% VF'
Les pertes par chaleur sensible deviennent: 20,8 )( VF )(TS 20,8 − ω'% VF'
QS = Cmoy ρF Vf' (
− TA)
Le rendement de combustion R% rapporté au Pci est : 20,8 Cmoy ρF Vf' VF R% = 100 − 100 ( TS − TA ) Pci VF' 20,8 − ω'% Pour un combustible donné et pour un domaine limité, on pose: 20,8 Cmoy ρF Vf' VF = Cste X'A = 100 Pci VF' On obtient l’expression du rendement d’une combustion oxydante à partir de la teneur ω ’% en O2 des fumées N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
− X'A ( TS − TA ) 20,8 − ω'% Les remarques faites précédemment sont applicables. R% =
100
Pour les combustibles humides et hydrogénés X’A dépend de l’excès d’air. Il varie entre les limites suivantes: - si e% = 0 X'A =
100
20,8 Cmoy ρF
Pci
Vf
- si e% tend vers l’infini: X'A = 100
20,8 Cmoy ρF
Pci
N. EL MEJDOUB
Vf'
Combustion (2008/09)
II.1.13 Valeurs limites (excès d’air = O%) des coefficients XA et X’A pour quelques combustibles (TS = 200°C, TA = 20°C) Combustible
XA
X’A
Anthracites (sur pur)
0,715
0,775
Flambants secs (sur purs)
0,7
0,787
Fuel domestique
0,567
0,761
Fuel lourds n°2
0,602
0,782
Gaz naturel
0,44
0,782
Propane commercial
0,501
0,74
N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
II.2 COMBUSTION REDUCTRICE C’est une combustion incomplète avec défaut d’air qui donne naissance à des fumées qui contiennent des imbrûlés gazeux comme CO et parfois H2 sans oxygène libre. On la réalise volontairement dans certains fours industriels. La composition des fumées est alors la suivante: N2 – CO2 – H2O – SO2 – CO si c’est le seul imbrûlé. II.2.1 Expressions du poids PA et du volume VA d’air utilisé Les expressions du débit d’air données en combustion oxydante sont toujours valables mais le défaut d’air d% joue le même rôle qu’un excès négatif. On aura: PA = Pa (1 − d% ) 100
VA = Va (1 − d% ) 100
N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
II.2.2 Expression du poids PF de fumées humides La conservation de la masse permet d’écrire: - Combustibles solides et liquides: PF = PA + 1 − K% = Pa(1 − d% ) + 1 − K% = Pf − d% Pa 100 100 100 100 - Combustibles gazeux: PF = PA + ρg = Pa (1 −
d% 100
) + ρg −
K% 100
= Pf −
d% 100
Pa
kg/kg
kg/ m 3 N
II.2.3 Expression du volume VF de fumées humides La réaction: CO + ½ O2 = CO2 conduit à une contraction du volume par fixation de l’oxygène. S’il y a présence d’imbrûlés sous forme de CO cette contraction ne s’est pas produite. Elle est égale au volume d’oxygène manquant ou à la moitié du volume d’oxyde de carbone, soit: 20,8 d% Va = 1 v CO VC = 100 100
N. EL MEJDOUB
2
Combustion (2008/09)
On en déduit:
VF = Vf − d% Va + 100
Ou encore:
VF = Vf − d% Va + 100
1v CO 2
20,8 d% 100 100
Va = Vf −
79,2 d% 100 100
Va
II.2.4 Expression du poids PF’ et du volume VF’ de fumées sèches PF' = PF - w = Pf'+ d% Pa 100
VF' = Vf'− d% Va + 100
1v CO 2
= Vf'- 79,2% d% Va 100
100
II.2.5 Expression des teneurs en CO2, CO, N2 des fumées sèches Nous pouvons écrire: - Teneur en gaz carbonique:
α'% = v CO = VCO − v CO 100 V F' VF' 2
N. EL MEJDOUB
2
Combustion (2008/09)
α'% = v CO = VCO − v CO 100 V F' VF' 2
2
Dans cette expression: VCO = volume de gaz carbonique produit en combustion neutre: = α'CO % Vf' 2
VCO
On en déduit:
α'% = 100
2
100
2
α'CO % Vf'− v CO 2
100
Vf'− d% Va + 100
1v CO 2
- Teneur en oxyde de carbone: β'% 100
v CO = v CO = VF' Vf'− d% Va + 100
N. EL MEJDOUB
1v CO 2
Combustion (2008/09)
- Teneur en azote
γ'% = vN = 100 VF' 2
L’égalité
1v CO 2
=
79,2 (1 − d% )Va 100 100 Vf'− d% Va + 1 v CO 100 2
n
+
20,8 d% 100 100
Va
Conduit aux nouvelles expressions des teneurs en CO2, CO et N2 soit: - Teneur en gaz carbonique α'% =
α'CO % Vf'− 41,6 d% Va
100
100
- Teneur en oxyde de carbone
β'% = 100
2
Vf ' −
100 100 79,2 d% Va 100 100
41,6 d% Va 100 100 Vf'− 79,2 d% Va 100 100
N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
- Teneur en azote
γ'% = 100
n
79,2 (1 − d% )Va 100 100 79,2 d% Vf ' − Va 100 100
+
II.2.6 Deuxième diagramme de Grébel En combustion oxydante, nous avons établi une relation entre α ’% et ω ’% en utilisant α ’CO2% comme paramètre. Pour la combustion réductrice, il existe également une relation entre α ’% et β ’% avec comme paramètre α ’CO2% . Celle-ci est donnée par l’expression: 79,2 β'% α'% = α'CO2 % (1 + ) − β'% 100 41,6
Dans le système des coordonnées α ’%, β ’%, le deuxième diagramme de Grébel est constitué par un ensemble de droites qui convergent en un point d’abscisse β ’%= -52,5% et d’ordonnée α ’% = 52,5. N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
II.2.7 Deuxième diagramme de Bunte Il représente la corrélation qu’il existe entre α ’% et β ’% avec comme paramètre d%. Il est constitué par un ensemble de droites d’équation: d%
α'% = 100 − β'%
79,2 (1 + 41,6
1−
100 ) d% 100
qui convergent au point d’abscisse β ’% = 0 et d’ordonnée α ’% = 100. II.2.8 Diagramme de Bunte-Grébel La combinaison du diagramme de Bunte et du diagramme de Grébel donne la construction de la figure suivante
N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
Diagramme de Bunte-Grébel
α ’%
100
d%
=
C’
3
=C
d% =
d% = 0
52,5
d%
’2
C’ 1
C1 α’ 0 % =C
2
α’ 0 %= C1
β ’% -52,5
0
N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
II.2.9 Contrôle d’une combustion réductrice Le diagramme de Bunte-Grébel montre qu’une combustion réductrice est entièrement définie lorsque l’on connaît: - Les caractéristiques de la combustion neutre du combustible brûlé (α ’CO2%, Vf’,Va) ainsi que la teneur α ’% en CO2 des fumées sèches. - Les caractéristiques de la combustion neutre du combustible brûlé et la teneur β ’% en CO des fumées sèches - Les teneurs α ’% et β ’% en CO2 et en CO des fumées sèches II.2.10 Calcul des pertes par chaleur sensible et par chaleur latente des fumées Comme pour la combustion oxydante, les pertes par chaleur sensible sont données par la relation: QS = Cm PF (TS – TA) kcal/kg ou kcal/m3N de combustible Les pertespar chaleur latente sont dues à la présence de vapeur d’eau et d’oxyde de carbone. On aura: QE = QH20 = 597 w = Pcs –Pci kcal/kg ou kcal/m3N de combustible QCO = 3066 VCO kcal/kg ou kcal/m3N N. EL MEJDOUB Combustion (2008/09)
3066 : pouvoir calorifique de l’oxyde de carbone en kcal/m3N. II.2.11 Rendement de combustion L’expression du rendement de combustion est:
Q S + QH2O + Q CO R% = (1 − ) 100 Pcs + Q C + Q A Ou
Q S + Q CO R% = (1 − ) 100 Pci + Q C + Q A Avec QC et QA : chaleur sensible du combustible et du comburant lorsqu’ils sont réchauffés par une source de chaleur extérieure au générateur.
N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
II.3. COMBUSTION MIXTE C’est une combustion complète qui donne naissance à des fumées qui contiennent des imbrûlées comme CO (exceptionnellement H2) et de l’oxygène libre. L composition des fumées est la suivante: H2 – CO2 – H2O – CO – O2 et éventuellement SO2 + SO3. On distingue: - les combustions mi-oxydantes réalisées avec un excès d’air - les combustions mi-réductrices réalisées avec un défaut d’air - les combustions incomplètes avec l’air théorique dans lesquelles e %=d%= 0 II.3.1 Expressions du poids PA et du volume VA d’air utilisé Puisque un défaut d’air joue le même rôle qu’un excès d’air négatif, nous écrirons: PA = Pa [ 1 ± (e%/100)] VA = Va [1 ± (e%/100)] N. EL MEJDOUB Combustion (2008/09)
II.3.2 Expressions du poids PF et du volume VF de fumées humides, du poids PF’ et du volume VF’ de fumées sèches PF = Pf ±
e% Pa 100
VF = Vf ±
e% 1 Va + V CO 100 2
II.3.3 Expressions des teneurs en CO2, CO,O2 et N2 des fumées sèches - Expression de la teneur en gaz carbonique: α' % 100
α' CO2 %
=
Vf' − V CO
100 e% 1 Vf' ± Va + V CO 100 2
- Expression de la teneur en oxyde de carbone β' % V CO = 100
Vf' ±
e%
100
Va +
1
2
V CO
N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
- Expression de la teneur en oxygène ω' % 100
=
±
- Teneur en azote γ' % 100
=
20,8 e%
Va +
1
V CO
100 100 2 e% 1 Vf' ± Va + V CO 100 2
e% 79,2 Va (1 ± )+n 100 100 e% 1 Vf'± Va + V CO 100 2
II.3.4 Contrôle d’une combustion mixte La combustion mixte est entièrement définie lorsque l’on connaît: - les caractéristiques de la combustion neutre du combustible ainsi que les teneurs α ’% et β ’% en CO2 et CO des fumées sèches - les caractéristiques de la combustion neutre ainsi que les teneurs α ’% et ω ’% en CO2 et O2 des fumées sèches - les caractéristiques de la combustion neutre ainsi que les teneurs ω ’% et β ’% en O2 et en CO des fumées sèches N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
II.3.5 Diagramme d’Ostwald Il est valable pour un combustible donné et tous les types de combustion. Il comprend: - deux demi-axes rectangulaires O α ’% et O ω ’% le long desquels on porte en ordonnées les teneurs en gaz carboniques (α ’%), en abscisses les teneurs en oxygène (ω ’%) - la droite de Grébel où se trouvent regroupées toutes les fumées purement oxydantes (teneur en oxyde de carbone β ’%=0). Cette droite est graduée en excès d’air e% par son intersection avec les droites de Bunte - l’axe vertical des ordonnées (ω ’% = 0) où sont groupées toutes les fumées purement réductrices. La projection sur cet axe des intersections de la deuxième droite de Grébel avec les droites de Bunte permet de le graduer en défaut d’air d% - les fumées neutres sont représentées par le point α ’CO2% situé sur l’axe vertical (en ce point β ’% = 0, ω ’% = 0) N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
- les égales teneurs en CO (β ’% = constante) sont représentées par un réseau de droites parallèles à la première droite de Grébel. - la droite des combustions incomplètes avec l’air théorique ( e% = d %= 0) est menée à partir du point α ’CO2% et coupe l’axe des teneurs en oxygène en un point d’abscisse: α' CO2 % ω' % = α' CO2 % 100
+2
Elle partage le plan en deux zones: les combustions mi-oxydantes ( à droite ) les combustions mi-réductrices ( à gauche ) - les droites d’égal excès d’air passent par la graduation en excès d’air de la première droite de Grébel et un point de coordonnées ω ’% = 100, α ’% = 200. Ce point étant très éloigné, on peut considérer que ce réseau est formé de droites parallèles dans la partie utile du diagramme d’Ostwald N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
- les droites d’égal défaut d’air passent par la graduation en défaut d’air de l’axe des ordonnées et un point de coordonnées ω ’% = 100, α ’% = 200. On peut également les considérer comme parallèles dans la partie utile du diagramme. - la construction d’un diagramme d’un combustible ne fait intervenir que le rapport Vf’/Va et la teneur α ’CO2% en CO2 des fumées neutres. Ces deux valeurs restent inchangées lorsque l’on fait varier la teneur en cendres K% et la teneur en eau E%. Le diagramme d’Ostwald établi pour un combustible « pur » reste applicable pour ce combustible pris sur « brut ». II.3.6 Utilisation du diagramme d’Ostwald pour l’étude d’une combustion mixte Exemple n°1: Considérons un charbon de la catégorie «ligniteux » ayant pour composition sur pur: C% = 76,57% - H%= 5,44% - N%= 0,78% - S%= 1,2% - O%= 16,01%. Son Pci est de 7450 kcal/kg. N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
Les caractéristiques de la combustion neutre de ce charbon sur pur sont: Pa = 10,13 kg/kg Va = 7,83 m3N/kg Pf = 11,13 kg/kg Vf = 8,25 m3N/kg Pf’ = 10,64 kg/kg Vf’ = 7,65 m3N/kg α ’CO2% = 18,7% Le diagramme d’Ostwald relatif à ce combustible est représenté sur la figure (distribuée) Dans les conditions d’utilisation, ce combustible a une teneur en eau E% = 4% et une teneur en cendres (sur combustible sec) K% = 11%. Exprimée sur combustible brute, les teneurs C% - H% - O% - S% - N % devront être multipliées par le facteur:
(1 −
E% K% )(1 − ) = 0,96 × 0,89 = 0,8544 100 100 N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
La teneur en cendres sur brut est égale à la teneur en cendres sur sec multipliée par le facteur: (1 − E% ) = 0,96 100
La composition sur combustible brut est alors la suivante : E%= 4% - K% = 10,56% - C%= 65,42% - H%= 4,65% - N%= 0,67% - S% = 1,02% - O%= 13,68%. Pci = 7450 × 0,8544 - 597 × (E%/100) = 6341 kcal/kg. Caractéristiques de la combustion neutre sur combustible brut a) Pouvoirs comburivores Pa et Va P O2 =
Pa =
32 65,42 12 100
100 23
+
16 4,65 2 100
P O2 = 8,65
+
32 1,02 32 100
kg/kg
N. EL MEJDOUB
−
13,68 100
= 1,99
kg/kg
3
Va = 6,69 m N/kg
Combustion (2008/09)
b) Pouvoirs fumigènes Vf’ et Pf’ sur fumées sèches Vf' =
22,4 65,42 22,4 1,02 22,4 0,67 79,2 + + + 6,69 = 6,53 m 3 N/kg 12 100 32 100 28 100 100
( ρ' f ) moyen = 1,36 kg/ m 3 N
Pf ' =
1,36 × 6,53 = 8,88 Kg/kg
c) Pouvoirs fumigènes Vf et Pf sur fumées humides Vf = Vf'+ w=
E% 100
22,4
+9
Pf = Pf' +
12 H% 100
×
E% 100
+
22,4 H% 2
100
= 6,53 + 0,05 + 0,52 = 7,1 m 3 N/kg
= 0,04 + 0,42 = 0,46 kg d' eau/kg
W = 8,881 + 0,46 = 9,34 kg/kg
On aurait également :
Pf
=
Pa
+ 1-
K% 100
= 8,65 + 1 - 0,1056 = 9,54 kg/kg
La différence due à l’utilisation de la masse volumique moyenne des fumées (ρ ’f)moyen est faible. N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
d) Teneur en CO2 des fumées neutres α' CO2 % 100
=
1,22 6,53
= 0,187
On brûle ce combustible et on analyse les fumées. On trouve: ω ’% = 6% α ’% = 12% S’il n’ya pas d’imbrûlés solides, le diagramme d’Ostwald est toujours valable. Reportons le point représentatif des fumées sur ce diagramme. On lit : e% = 31% β ’% = 2,1% e) Calcul de vCO Effectuons:
α' CO 2 %
Vf' α'% + β '% 100 = α' CO 2 % α'% Vf'− 100
On en déduit :
v CO
vCO = 0,1818 m3N/kg N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
f) Calcul de VF’ e% 1 Va + v CO = 6,53 + 0,31 × 6,69 + 0,091 = 8,695 m 3 N/kg 100 2
VF' = Vf'+ g) Calcul de PF
PF =
e% 100
Pa + Pf = 0,31 × 8,65 + 9,54 = 12,22 kg/kg
h) Calcul des pertes par chaleur sensible par rapport à la température TA TS = 200°C
TA = 20°C
Cm = 0,246 kcal/kg.°C
QS = Cm PF (TS – TA) = 0,246 × 12,22 (200 – 20) = 551,1 kcal/kg i) Pertes par chaleur latente dues au CO QCO = 3066 × vCO = 3066 × 0,1818 = 557 kcal/kg. j) rendement de combustion R% = (1 −
Q S + Q CO 551,1 + 557 ) 100 = (1 ) 100 = 82,5% 6341 Pci
N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
II.3.7 Utilisation du diagramme d’Ostwald pour la détermination des entrées d’air parasites Le circuit fumées est en dépression. Un manque d’étanchéité de ce circuit entraîne des entrées d’air parasites. Ceci peut se produire au niveau de la chambre de combustion, des réchauffeurs d’air ou d’eau, des registres utilisés pour le réglage du tirage. Ces entrées d’air ont pour effet de refroidir les fumées et de diminuer le rendement de combustion. L’analyse des fumées permet de les dépister.
N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
Exemple 2: considérons le diagramme d’Ostwald du carbone pur. Les caractéristiques de la combustion neutre du carbone sont: Va = 8,974 m3N/kg Vf’ = Vf = 8,974 m3N/kg α ’CO2% = 20,8% L’état des fumées avant dilution est représenté au point n°1. Pour ces fumées, on lit sur le diagramme: α ’1 = 10% ω ’1 = 6% β ’1 = 8,5% e1 = 9% Le point 2 correspond aux caractéristiques de l’air infiltré: α ’2 = 0% ω ’2 = 20,8% β ’2 = 0% le point 3 correspond au mélange fumées-air, soit: α ’3 = 7,1% ω ’3 = 10,3% β ’3 = 6% e3 = 55% En se reportant au diagramme d’Ostwald et en utilisant les propriétés des triangles semblables, on peut écrire:
α' 1 − α' 3 ω' 1 − ω' 3 = = v 1 α' 3 − α' 2 ω' 3 − ω' 2
v2
ou encore
v2 v1
=
10 − 7,1 7,1
=
6 − 10,3 10,3 − 20,8
N. EL MEJDOUB
= 0,409
Combustion (2008/09)
La longueur du segment 1-3 est proportionnelle au volume v2 d’air infiltré. Celle du segment 3-2 est proportionnelle au volume v1 des fumées avant dilution. Au point 1, la combustion est mi-oxydante. On peut donc en déduire: α' CO 2 % Vf' α' 1 % − β ' 1 % 100 = α' CO 2 % α' 1 % Vf'− v CO 100
ou encore d’où:
10 + 8,5 10
= 1,85 =
0,208 × 8,974 0,208 × 8,974 − v CO
vCO = 0,857 m3N/kg de carbone
Puisque e1% = 9%, on aura: VF' = Vf'+
e%
100
Va +
1 2
v CO
= 8,974 + 0,09 × 8,974 +
VF’ = 10,21 m3N/kg de N. EL carbone MEJDOUB
1 2
× 0,857
Combustion (2008/09)
Le volume v2 d’air infiltré sera: v2 = 0,409 v1 = 0,409 VF’ = 4,175 m3N/kg de carbone. On vérifie facilement que la teneur en oxygène ω ’3%= 10,3%. En effet: 6
ω' 3 % 100
=
100
× v1 +
20,8 100
v1 + v2
× v2 =
0,06 × 10,21 + 0,208 × 4,175 10,21 + 4,175
= 0,103
ω ’2 = 10,3%
II.3.8 Utilisation du diagramme d’Ostwald à l’étude d’une combustion avec imbrûlés solides. Le carbone imbrûlé peut se trouver en quantité non négligeable : - dans les cendres et les mâchefers - dans les suies - dans les fines de tamisage s’il s’agit d’un foyer alimenté au charbon. N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
La teneur en imbrûlés solides 1% est rapportée au combustible brut, et les calculs de combustion s’effectuent sur combustible fictif exprimé sur brut. Pour un charbon, la composition du combustible fictif sera la suivante: E% K% (1 C% (1 -
E% 100 E%
100
H% (1 -
) + 1%
)(1 -
E% 100
K% 100
)(1 -
) + 1%
K% 100
)
S% --N% --O% --A partir de cette composition, on pourra calculer les caractéristiques de la combustion neutre du combustible fictif soit (Va)f, (Vf’)f, (Vf)f, (α ’CO2)f. La construction du diagramme d’Ostwald ne fait intervenir que le rapport Vf’/Va et α ’CO2%. N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
Pour appliquer le diagramme d’Ostwald établi sur combustible pur aux combustions avec imbrûlés solides, il faut respecter les conditions suivantes: Vf' Vf' α'CO2 % α'CO2 % ( ) = = Va f Va 100 100 f On démontre que: (
Vf' ) = Va f
(α'CO2 %) f =
Vf' (1 -
E%
) (1 −
K%
)−
22,4
−
1%
100 100 20,8 12 E% K% 22,4 1% Va (1 ) (1 − )− − 100 100 20,8 12
α' CO2 % Vf' (1 -
E% 100
) (1 −
K%
) − 22,4 −
1%
100 12 E% K% 22,4 1% Vf' (1 ) (1 − )− − 100 100 100 12
L’utilisation du diagramme d’Ostwald établi sur combustible pur pour l’étude des combustions avec imbrûlés solides entraîne une imprécision d’autant plus importante que 1% est grand. N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
II.3.9 Diagrammes universels de combustion Le diagramme d’Ostwald s’applique à toutes les combustions mais pour un combustible donné. Il était donc souhaitable d’établir un diagramme valable pour toutes les combustions et tous les combustibles. Pour ce faire, R. Pigrais a utilisé deux nombres sans dimension: X = ±
Va e%
Y =
Vf' 100
v CO Vf'
Les expressions des teneurs en CO2, CO, O2 des fumées sèches peuvent alors s’écrire:
α'% 100
α' CO 2 % 100
= 1±
e% Va 100 Vf '
− +
α' CO 2 %
v CO Vf ' 1 v CO 2 Vf '
=
100 1+ X +
N. EL MEJDOUB
−Y Y 2
Combustion (2008/09)
β '% 100
ω'% 100
-
v CO Vf '
= 1±
=
±
e% Va 100 Vf '
+
1 v CO 2 Vf '
20,8 V a e% + 100 Vf' 100 e% Va 1 1± + 100 Vf' 2
Y
=
1+ X +
Y 2
1 v CO
20,8
2 Vf'
= 100
v CO
Vf'
X+
1+ X +
Y 2 Y 2
Des diagrammes universels de combustion ont été établis à partir de ces relations: Diagramme de Pigrais comprenant deux réseaux fixes ( teneurs en oxygène et teneurs en oxyde de carbone) et un réseau mobile (teneurs en gaz carbonique) que l’on déplace le long d’une glissière en fonction du combustible brûlé. Cette glissière est graduée en valeurs de α ’CO2%
- Diagramme circulaire Véron-Dumez comprenant deux réseaux fixes (ω ’% et β ’%) et une alidade dont la position dépend du combustible brûlé. -
Diagramme à points alignés Véron-Paignant N. EL MEJDOUB
Combustion (2008/09)
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