Combustion

LA COMBUSTION

J-M R. D-BTP

2006

1

Bases de la combustion

Grandeurs de la combustion Diagrammes de combustion Analyses de combustion Rendements de combustion Recherche par mot clé Définitions et unités 2

Analyseurs électroniques

Indice de Wobbe

Temp théorique de flamme

Combustion du carbone

Limites d’inflammabilité

Temp d’auto-inflammation

Combustion de l’hydrogène

Mesure de la teneur en CO

Valences des éléments

Combustion du méthane

Mesure de la teneur en CO2 ou en O2

Valeurs régl. Rend. chaudière

Combustion du soufre

Mesure de température

Vitesse de flamme

Combustion mi-oxydante

Mesure d’opacité

Combustion mi-réductrice

Mesure du tirage ou de la dépression

Combustion oxydante

Molécules de corps composés

Combustion oxydo-réductrice

Molécules de corps simples

Combustion réductrice

NOx

Combustion stœchiométrique

Point d’éclair

Consommables

Point de rosée

Défaut d’air

Point d’inflammation

Diagramme de Biard

Pouvoir calorifique

Diagrammes d’Ostwald

Production d’acide sulfurique

Eléments de base

Rendement de combustion sur PCI

Effets du CO sur l’homme

Rendement de combustion sur PCS

Equipement réglementaire

Rendement des app. à condensation

Excès d’air

Teneur en CO2

Facteur d’air

Teneur en O2

3

Bases de la combustion Les éléments de base de la combustion Valences des éléments Molécules de corps simples Molécules de corps composés Combustion du carbone Combustion du soufre Combustion de l’hydrogène Combustion du méthane

NOx Combustion stœchiométrique Combustion oxydante Combustion réductrice Combustion mi-réductrice Combustion mi-oxydante Combustion oxydo-réductrice Production d’acide sulfurique

4

Les éléments de base de la combustion

Le « C H O N S »

Carbone

Hydrogène

Oxygène

Azote

C

H

O

N

12 g

1g

16 g

14 g

Soufre

S

32 g 5

Valences des éléments

Carbone

C

Hydrogène

Oxygène

H

O

Azote

N

Soufre

S

2 4

1

2

3

4 6 6

Molécules de corps simples

Hydrogène

Oxygène

O

H

Azote

N O

N

H2

O2

N2

2g

32 g

28 g

H

7

Molécules de corps composés

Méthane

C

Ammoniaque

H

H H

Eau

H

O

1/6

H H

H

N H H

CH4

H2O

NH3

16 g

18 g

17 g 8

Molécules de corps composés

Monoxyde de carbone

C

2/6

Dioxyde de carbone

O O

C O

CO

CO2

28 g

44 g 9

Molécules de corps composés

Anhydride sulfureux

3/6

Anhydride sulfurique O

O

S

S

O

O

O

SO2

SO3

64 g

80 g 10

Molécules de corps composés

4/6

Acide sulfurique

H2SO4

O

O

S O O

H

98 g

H

11

Molécules de corps composés

Méthane

Ethane

H H

C H

5/6

H

H

H

H

C

C

H

H

CH4

C2H6

16 g

30 g

H

12

Molécules de corps composés

Butane

Propane H H

H

H

C C

C

H

H

H

6/6

H H

H

H

H

H

C C C C H

H

H

C3H8

C4H10

44 g

58 g

H

H

13

Combustion du carbone

Carbone

C

Oxygène

O

1/4

Dioxyde de carbone

O

O

C O

C

O2

CO2

12 g

32 g 22,4 litres

44 g 22,4 litres 14

Combustion du carbone

C

2/4

( O2+ 79/21 N2 )

CO2 + 79/21 N2

Volume d’O2 nécessaire pour brûler 1000 g de C :

VO2 = 22,4 L * 1000 g / 12 g = 1866,66 litres L’oxygène est accompagné d’azote que l’on retrouvera dans les fumées Volume d’azote : VN2 = VO2 * 79 / 21

VN2 = 1866,66 * 79 / 21 = 7022,22 litres Le volume d’air nécessaire sera donc:

Va = VO2 + VN2 = 1866,66 + 7022,22 = 8888,88 litres Volume de CO2 produit par la combustion de 1000 g de C :

VCO2 = 22,4 L * 1000 g / 12 g = 1866,66 litres Le volume de fumées sera donc :

Vf = VCO2 + VN2 = 1866,66 + 7022,22 = 8888,88 litres

15

Combustion du carbone

3/4

Pour brûler 1 kg de carbone il faut : 1 866 litres d’O2 7 022 litres de N2 soit 8 888 litres d’air

La combustion d’1 kg de carbone produit : 1 866 litres de CO2 (soit 3,66 kg) 7 022 litres de N2

soit 8 888 litres de fumées et dégage environ 9,1 kWh 16

Combustion du carbone

4/4

Il est à noter que la combustion incomplète d’1 kg de carbone ( C + ½ O2 = CO ) produit : 1 866 litres de CO

7 022 litres de N2 soit 8 888 litres de fumées et ne dégage qu’environ 2,6 kWh (la combustion complète en aurait produit 9,1 kWh…)

17

Combustion du soufre

Soufre

S

Oxygène

1/3

Anhydride sulfureux

O

O

O

S

S

O2

SO2

32 g

32 g 22,4 litres

64 g

O

18

Combustion du soufre

S

2/3

( O2 + 79/21 N2 )

SO2 + 79/21 N2

Volume d’O2 nécessaire pour brûler 1000 g de S :

VO2 = 22,4 L * 1000 g / 32 g = 700 litres L’oxygène est accompagné d’azote que l’on retrouvera dans les fumées Volume d’azote : VN2 = VO2 * 79 / 21

VN2 = 700 * 79 / 21 = 2633,33 litres Le volume d’air nécessaire sera donc :

Va = VO2 + VN2 = 700 + 2633,33 = 3333,33 litres Volume de SO2 produit par la combustion de 1000 g de C :

VSO2 = 22,4 L * 1000 g / 32 g = 700 litres Le volume de fumées sera donc :

Vf = VSO2 + VN2 = 700 + 2633,33 = 3333,33 litres

19

Combustion du soufre

3/3

Pour brûler 1 kg de soufre il faut : 700 litres d’O2 2 633 litres de N2 soit 3 333 litres d’air

La combustion d’1 kg de soufre produit : 700 litres de SO2 2 633 litres de N2

soit 3 333 litres de fumées et dégage environ 2,5 kWh 20

Combustion de l’hydrogène 1/3

Hydrogène

Oxygène

Eau H

H H H H

H

O O

O

H

O H

2H2

O2

2H2O

4g 44,8 litres

32 g 22,4 litres

36 g 44,8 litres 21

Combustion de l’hydrogène 2/3

2H2

( O2 + 79/21 N2)

2H2O + 79/21 N2

Volume d’O2 nécessaire pour brûler 1000 g d’hydrogène :

VO2 = 22,4 L * 1000 g / 4 g = 5 600 litres L’oxygène est accompagné d’azote que l’on retrouvera dans les fumées Volume d’azote : VN2 = VO2 * 79 / 21

VN2 = 5 600 * 79 / 21 = 21 066 litres Le volume d’air nécessaire sera donc :

Va = VO2 + VN2 = 5600 + 21066 = 26 666 litres Volume de vapeur d’eau produit par la combustion de 1000 g d’hydrogène :

VHO2 = 44,8 L * 1000 g / 4 g = 11 200 litres Le volume de fumées humides sera donc :

Vfh = VHO2 + VN2 = 11200 + 21066 = 32 266 litres

22

Combustion de l’hydrogène

3/3

Pour brûler 1 kg d’hydrogène il faut : 5 600 litres d’O2

21 066 litres de N2 soit 26 666 litres d’air La combustion d’1 kg d’hydrogène produit :

11 200 litres de vapeur d’eau 21 066 litres de N2 soit 32 266 litres de fumées humides et dégage environ 33,6 kWh PCI 39,2 kWh PCS 23

Combustion du méthane

Méthane

Oxygène

Dioxyde de carbone

O H

C

H

O

H

C

O

O

H O

O

H

CH4

2O2

CO2

16 g

64g

44 g

22,4 litres

H

O

O

H

H

Eau

44,8 litres

22,4 litres

2H2O 36 g 44,8 litres 24

Les Nox 1/4

Plus connus sous le terme générique « NOx », les oxydes d’azote sont : Le monoxyde d’azote (NO) qui est produit en grande quantité (90 à 95 %) mais qui s’oxyde rapidement en NO2 dans l’atmosphère, Le dioxyde d’azote (NO2) produit en faible quantité dans la combustion. Le protoxyde d’azote (N2O) produit en très faible quantité.

25

Les Nox 2/4

Les NOx apparaissent dans la combustion parce que l’air contient de l’azote (il y en a aussi dans certains combustibles : Fioul, Charbon) qui se combine à l’excès d’oxygène dans certaines conditions de température. Le mécanisme de formation des NOx est complexe car les réactions se font soit en atmosphère oxydante (N + O2 donne NO + O), soit en atmosphère réductrice (N2 + O donne N + NO). Ce dont on est sûr, c’est que la formation de NO est fortement tributaire de la température. Les installations de combustion interviennent pour à peine 16 % dans la production des NOx (avec plus de la moitié pour le charbon et le fioul lourd), alors que les transports en sont responsables à plus de 75 %.*

Répartition de la production des Nox

26

Les Nox 3/4

L’air que nous respirons est faiblement chargé en NO2 (quelques ppm) et sauf pour quelques cas précis (métiers à risque), il n’y a aucun risque pulmonaire direct. En revanche, ce gaz est responsable en grande partie de l’acidité des pluies et de ses effets néfastes sur la végétation. Malgré la faible participation des chauffages à la pollution par les NOx, les réglementations imposeront rapidement des limites assez sévères.

27

Les Nox 4/4

0,01 %

N2O (protoxyde d’azote) durée de vie de plusieurs siècles

4,99 %

NO2 (peroxyde d’azote) durée de vie de quelques semaines

95 %

NO (oxyde d’azote) durée de vie de quelques heures

28

Combustion stœchiométrique

Complète sans excès ni défaut d’air

N2 N2

Vfn Va

S H2

SO2 H2O

C

combustible

O2

CO2

air

fumées

29

Combustion oxydante

N2

Complète en excès d’air

Vea

O2 N2

Vea

O2 N2 R

N2

Vfn Va

S H2

SO2

H2O C

O2

CO2

combustible

air

fumées

30

Combustion réductrice

Incomplète en défaut d’air

Vda

N2 Vfn S H2

N2

Va

S

R

SO2 H2

H2O C CO

C combustible

O2

CO2

air

fumées

31

Combustion mi-réductrice

Incomplète en défaut d’air Avec oxygène dans les fumées O2

Vda

N2 Vfn S H2

N2

Va

S

R

SO2 H2

H2O C CO

C combustible

O2

CO2

air

fumées

32

Combustion mi-oxydante

N2

Incomplète en excès d’air

Vea

O2 N2

Vea

O2 N2 R

N2

Vfn Va

S H2

S

SO2 H2

H2O

C combustible

C CO

O2

CO2

air

fumées

33

Production d’acide sulfurique

N2

SO2

Si présence d’un O2 + excès d’air catalyseur + catalyseur = tel que le

N2

O2

chrome ou le vanadium dans le combustible

acide sulfurique

N2

N2 S H2

SO3 SO2

SO4H2

H2O

C

O2

CO2

combustible

air

fumées

34

Combustion oxydo-réductrice

Incomplète sans excès ni défaut d’air O2

N2 R

N2

Va

S H2

S

SO2 H2

H2O

C combustible

O2 air

C CO

CO2 fumées

35

Les différents types de combustion

Stœchiométrique :

complète sans excès d’air

Oxydante :

complète en excès d’air

Réductrice :

incomplète en défaut d’air

Mi-oxydante :

incomplète en excès d’air

Mi-réductrice :

incomplète en défaut d’air avec présence d’oxygène dans les fumées

Oxydo-réductrice :

incomplète sans excès ni défaut d’air

36

Grandeurs de la combustion Facteur d’air Excès d’air Défaut d’air Teneur en CO2 Teneur en O2 Effets du CO sur l’homme Relation CO / CO2 Température théorique de flamme Limites d’inflammabilité Point d’éclair Point d’inflammation Température d’auto-inflammation

Vitesse de propagation du front de flamme Indice de Wobbe Pouvoir calorifique Point de rosée

37

Facteur d’air 1/5

Le facteur d’air, ou taux d’aération ( N ), est le rapport du volume d’air réellement utilisé ( R ) sur le volume d’air théorique ( Va ).

R N = Va

38

Facteur d’air 2/5

En combustion stœchiométrique :

R = Va

Par conséquent :

R N =

= 1 Va 39

Facteur d’air 3/5

En combustion oxydante :

R > Va

Par conséquent :

R N =

> 1 Va 40

Facteur d’air 4/5

En combustion réductrice :

R < Va

Par conséquent :

R N =

< 1 Va 41

Facteur d’air 5/5

Rappel :

N>1

Excès d’air

N