Combustibles, Combustion, Analyse de Gaz de Carneau - PDF

Here is the conversion of the attached document into a markdown format. # 3A2 Chapitre 3 # Combustibles, combustion, analyse de gaz de carneau ## Objectifs de l'apprentissage Vous pourrez particulièrement accomplir les tâches qui suivent : 1. Expliquer/définir la combustion complète, la combusti...

Here is the conversion of the attached document into a markdown format. # 3A2 Chapitre 3 # Combustibles, combustion, analyse de gaz de carneau ## Objectifs de l'apprentissage Vous pourrez particulièrement accomplir les tâches qui suivent : 1. Expliquer/définir la combustion complète, la combustion incomplète et les produits de combustion et écrire des équations de combustion équilibrée. 2. Expliquer le but et les avantages de l'excès d'air et calculer l'air théorique et l'excès d'air nécessaires pour la combustion complète d'un combustible donné. 3. Expliquer l'analyse quantitative approximative, l'analyse élémentaire et le pouvoir calorifique d'un combustible et décrire l'utilisation de la calorimétrie pour déterminer le pouvoir calorifique. 4. Utiliser la formule de Dulong pour calculer le pouvoir calorifique du combustible à l'aide de l'analyse élémentaire d'un combustible. 5. Décrire les propriétés, les classifications et les caractéristiques de combustion du charbon. 6. Décrire les propriétés, les classifications et les caractéristiques de combustion de l'huile combustible. 7. Décrire les propriétés et les caractéristiques de combustion du gaz naturel. 8. Expliquer l'utilisation et les caractéristiques de combustion de combustibles non fossiles, y compris les biocombustibles, les déchets de bois, les déchets solides des municipalités, le coke et les émulsions d'huile. 9. Expliquer l'analyse du gaz de carneau pour la mesure de O2, CO et CO2 par rapport au rendement de la combustion. Décrire les analyseurs automatiques types de gaz de carneau. 10. Expliquer la formation, la surveillance et le contrôle des oxydes d'azote (NOx), de l'acide sulfureux et des particules. ## OBJECTIF 1 Expliquer/définir la combustion complète, la combustion incomplète et les produits de combustion et écrire des équations de combustion équilibrée. ### COMBUSTION La combustion est l'union chimique des éléments combustibles d'un combustible et de l'oxygène dans l'air à un taux qui produit une énergie calorifique utile. L'air est un mélange d'oxygène, d'azote et de petites quantités de vapeur d'eau, d'anhydride carbonique et d'autres gaz. Les principaux éléments combustibles sont le carbone et l'hydrogène souvent combinés en hydrocarbures. Pendant la combustion, ils se combinent à l'oxygène pour former de l'anhydride carbonique et de l'eau. De petites quantités de soufre sont souvent présentes dans les combustibles et comme le soufre est lui-même combustible, il augmente la valeur calorifique du combustible. La nature corrosive et toxique des composés de soufre rend toutefois sa présence indésirable. La composition de l'air atmosphérique sec est comme suit : | | % par volume | % par masse | | ------ | ------------ | ----------- | | Azote | 78,09% | 76,85% | | Oxygène | 20,95% | 23,15% | | Autres gaz | 0,96% | | ### Combustion parfaite La combustion parfaite se produit lorsque la quantité théoriquement exacte d'air nécessaire est alimentée et les combustibles sont complètement brûlés. Cela est impossible dans un four commercial en raison de la difficulté de contact entre le O₂ et les combustibles en présence de grandes quantités de gaz diluant. Les produits de combustion parfaite sont le CO₂, le SO₂, l'H₂O, le N₂ et la cendre. ### Combustion complète La combustion complète se produit lorsque tous les combustibles dans le combustible sont complètement brûlés, mais une quantité d'air plus grande que la quantité minimale exigée théoriquement est utilisée (excès d'air). Cette combustion est obtenue dans tout foyer de chaudière correctement conçu pour le combustible utilisé et la charge acheminée. Les gaz de cheminée qui en résultent contiennent du CO₂, SO₂, H₂O, O₂, N₂ et de la cendre. Il y a une augmentation de N₂ au-dessus de la valeur calculée pour la combustion parfaite en raison de l'azote alimenté avec l'excès de O₂. La combustion complète est obtenue dans les conditions suivantes : * Suffisamment d'air doit être admis et une portion de cet air doit être admis au-dessus et près de la surface du feu. * La température doit être assez élevée pour allumer les gaz combustibles émis. * L'air doit avoir un écoulement turbulent dans le foyer pour assurer que le O₂ vienne en contact avec tous les combustibles présents. * Les gaz doivent être dans la zone chaude pendant une période suffisante pour que la combustion soit complète. ### Équations de combustion complète Les équations suivantes représentent la combinaison des éléments combustibles du carbone, de l'hydrogène et du soufre, avec l'oxygène, pendant la combustion complète. 1. Carbone+ Oxygène $\longrightarrow$ Anhydride carbonique $C \;+\; 0_2 \;\longrightarrow \;CO_2$ 2. Hydrogène + Oxygène $\longrightarrow$ Vapeur d'eau $2H_2 \;+\; 0_2 \;\longrightarrow \;2H_20$ 3. Soufre + Oxygène $\longrightarrow$ Acide sulfureux $S \;+\; 0_2 \;\longrightarrow \;SO_2$ L'azote, un élément non combustible, ne se combine pas à l'oxygène, mais passe dans le foyer inchangé, si ce n'est une augmentation de sa température. ### Combustion incomplète Une combustion incomplète se produit quand une partie de C, CO et H₂ passe à la cheminée. Le gaz de cheminée consiste en $CO_2, \;SO_2, \;H_20, \;N_2, \;CO, \;H_2, \;C$ (carbone sous forme de suie), probablement du $CH_4$ ou autres hydrocarbures et il peut contenir du $0_2$ libre. ### Équations de combustion incomplète S'il manque une des conditions pour la combustion complète, les éléments combustibles ne se combinent pas complètement à l'oxygène. Les équations suivantes représentent la combinaison incomplète de l'oxygène et des combustibles. 1. Carbone+ Oxygène insuffisant $\longrightarrow$ Monoxyde de carbone $C \;+\; \frac{1}{2} 0_2 \;\longrightarrow \;CO$ 2. Hydrogène + Oxygène insuffisant $\longrightarrow$ Vapeur d'eau + Hydrogène libre $2H_2 \;+\; \frac{1}{2} 0_2 \;\longrightarrow \;H_20 \;+\; H_2$ La formation de l'hydrogène libre n'est pas souhaitable parce que c'est un élément combustible qui, s'il n'est pas brûlé, représente un gaspillage de combustible. 3. Soufre + Oxygène insuffisant $\longrightarrow$ Acide sulfureux + Soufre libre $2S \;+\; 0_2 \;\longrightarrow \;S0_2 \;+\; S$ De même, la formation de soufre libre n'est pas souhaitable car elle représente un gaspillage de combustible. Le soufre dans un combustible est considéré comme une impureté même s'il est un élément combustible; il tend à produire des acides corrosifs en présence d'eau. ## OBJECTIF 2 Expliquer le but et les avantages de l'excès d'air et calculer l'air théorique et l'excès d'air nécessaires pour la combustion complète d'un combustible donné. ### EXCÈS D'AIR L'air est composé d'un mélange d'oxygène et d'azote dans les proportions de 23,15 portions d'oxygène et 76,85 portons d'azote par masse. L'oxygène nécessaire pour la combustion complète doit être obtenu de l'air alimenté au foyer. La quantité d'air nécessaire pour alimenter juste assez d'oxygène pour la combustion complète porte le nom d'air théorique. Dans la pratique, cependant, il faut alimenter plus que la quantité théorique d'air pour s'assurer que toutes les particules de combustible viennent en contact avec l'oxygène. La quantité d'air qui excède l'air théorique est appelée «excès d'air» et elle est normalement exprimée en pourcentage d'air théorique. Par exemple, si la quantité théorique d'air nécessaire pour la combustion complète de 1 kg de charbon est de 12 kg et la quantité réelle d'air utilisée dans le foyer est de 18 kg, par kg de charbon, alors l'excès d'air = 18 - 12 = 6 kg; exprimé en pourcentage, cela donne 6/12 x 100 = 50%. Le pourcentage d'excès d'air exigé dépend du combustible, de la méthode de chauffe, de la conception du brûleur et du foyer et de la charge de la chaudière. Le gaz naturel exige le moins d'excès d'air et le charbon, le plus. L'excès d'air est ajouté pour s'assurer que tout le combustible vient en contact avec l'oxygène et qu'il y a combustion complète. Des exemples d'excès d'air nécessaire à la sortie du foyer sont : * gaz naturel 5-10%; * huile 5-15%; * charbon (pulvérisé) 15-30%; et * charbon (par chargeur) 25 - 50%. Il est souhaitable de réduire le plus possible la quantité d'excès d'air alimenté au foyer car l'air est chauffé à une haute température dans le foyer et il achemine une grande quantité de chaleur à la cheminée. De plus, la puissance nécessaire pour les ventilateurs à tirage forcé et à tirage induit diminue avec la diminution de l'air alimenté. Si l'excès d'air est trop réduit, il y a possibilité d'une combustion incomplète avec la formation de monoxyde de carbone et d'hydrogène libre. Le rendement de la chaudière dépend dans une certaine mesure du rendement de la combustion. Ce rendement est maximisé lorsque la chaudière est munie d'un analyseur de gaz de carneau qui permet à l'opérateur de réduire l'excès d'air tout en maintenant la combustion complète. La conception de la chaudière, du foyer et de l'équipement de chauffe pour une combustion efficace revient au fabricant. Le fonctionnement de l'équipement pour obtenir une combustion complète avec un minimum d'excès d'air revient à l'opérateur. ### Effet d'un excès d'air incorrect Trop d'air réduit la température du foyer et réduit ainsi le rendement de la combustion; cela peut causer le refroidissement du carbone solide et son dépôt sous forme de suie. L'oxygène et l'azote supplémentaires, qui sortent de la cheminée à une température élevée, réduit davantage le rendement car ils transportent de la chaleur sensible. Trop d'excès d'air peut entraîner une flamme intermittente et une flamme qui est attirée trop loin du brûleur. Les températures à l'arrière du foyer ou plus loin dans le passage du gaz de carneau peuvent être élevées en raison des vitesses accrues du gaz de carneau résultant en une période réduite pour le transfert de chaleur. Trop peu d'air entraîne une combustion incomplète. Les résultats peuvent comprendre des dépôts de carbone solide imbrûlé sous forme de suie et la production de CO. La présence de CO dans le gaz de carneau signifie habituellement la présence d'autres composantes combustibles. La température du foyer n'est pas nécessairement accrue parce que moins de chaleur est libérée du combustible. La flamme peut sembler fuligineuse et le gaz de carneau qui sort de la cheminée est gris ou noir. Le rendement est réduit en raison de l'énergie qui n'a pas été dégagée par la combustion. ### Calcul de l'air théorique Masse d'air pour la combustion La quantité d'air nécessaire pour alimenter une quantité particulière d'oxygène doit être calculée pour un procédé de combustion. Puisque l'air sec se compose de 23,15 % d'oxygène par masse, chaque kilogramme d'air contient 0,2315 kg d'oxygène. Un calcul simple de proportion est comme suit : $\frac{1 \;kg \; air}{0,2315 \;kg \;0_2} = \frac{X \;kg \; air}{1 \;kg \;0_2}$ $X \;=\; \frac{1 \;kg \; air\; \times \;1 \;kg \;0_2 }{0,2315 kg \;0_2}$ $X \;=\; 4,32 \;kg \; air$ Donc, 4,32 kg d'air contient 1 kg d'oxygène. ### Formule pour l'air nécessaire Les combustibles brûlés sont souvent un mélange de combustibles. Une analyse du combustible donne le pourcentage, par masse, de chaque ingrédient ou élément dans le combustible. À l'aide des équations de combustion de base, le nombre de kilogrammes d'air nécessaire pour chaque élément combustible est déterminé et totalisé pour obtenir l'oxygène nécessaire total. Les trois éléments combustibles dans un combustible sont le carbone, l'hydrogène et le soufre. La kilomole se définit comme la quantité d'une substance dont la masse en kilogrammes est égale à sa masse moléculaire. Par exemple, la masse moléculaire ou molaire de l'eau est 12. Donc, une kilomole d'eau est une quantité d'eau dont la masse est de 12 kg. (Voir NPE3-1-12 pour plus de détails.) ### Carbone $C \;+\; O_2 \;\longrightarrow \;CO_2$ $1 \;kmol \;C \;+\; 1 \;kmol \;O_2 \;\longrightarrow \;1 \;kmol \;CO_2$ ce qui donne la relation $12 \;kg \;C \;+\; 32 \;kg \;O_2 \;\longrightarrow \;44 \;kg \;CO2$ en divisant par 12 pour obtenir 1 kg de carbone $1 \;kg \;C \;+\; \frac{32}{12}kg \; O_2 \;\longrightarrow \; \frac{44}{12}\;kg \; CO_2$ Ainsi, pour 1 kg de carbone, il faut $\frac{2}{3} \;kg \; O_2$ et la quantité théorique d'air nécessaire est : .:. $\frac{2}{3} \; kg \;O_2 \times \;4,32 \; kg \; d'air/kg \;O_2 \;= 11,52 \; kg \;d'air$ ### Hydrogène $2H_2 \;+\; O_2 \;\longrightarrow \;2H_2O$ $2 \;kmol \;H_2 \;+\; 1 \;kmol \;O_2 \;\longrightarrow \;2 \;kmol \;H_2O$ ou: $4 \;kg \;H_2 \;+\; 32 \;kg \;O_2 \;\longrightarrow \;36 \;kg \;H_2O$ en divisant par 4 $1 \;kg \;H_2 \;+\; 8 \;kg \;O_2 \;\longrightarrow \;9 \;kg \;H_2O$ Donc, 1 kg d'hydrogène exige : .. $8 \; kg \;O_2 \times \;4,32 \frac{kg \; air}{kg \; O_2}\;=\; 34,56 \;kg \;d'air$ ### Soufre $2S \;+\; O_2 \;\longrightarrow \; S0_2$ $1 \;kmol \;S \;+\; 1 \;kmol \;O_2 \;\longrightarrow \;1 \;kmol \;SO_2$ .. $32 \; kg \;S \;+\; 32 \; kg \;O_2 \;\longrightarrow \;64 \; kg \;SO_2$ ou, en divisant par 32: $1 \;kg \;S \;+\; 1 \; kg \;O_2 \;\longrightarrow \;2 \; kg \;SO_2$ Donc, pour 1 kg de soufre, il faut 1 kg de $. Comme calculé, la quantité d'air nécessaire pour alimenter 1 kg de O₂ est de 4,32 kg (page 6). Ces résultats des formules pour le carbone, l'hydrogène et le soufre sont combinés pour donner la formule suivante : Air nécessaire pour 1 kg de combustible = 11,52 x %C + 34,56 x %H₂ + 4,32 x %S Lorsque l'analyse du combustible indique qu'il contient de l'oxygène, on suppose que l'oxygène est trouvé en tant que partie de l'eau continue dans le combustible. Cela signifie qu'une partie de l'hydrogène dans le combustible est liée à l'eau et n'est pas disponible pour la combustion; la masse d'hydrogène doit être réduite dans la formule. Puisque le rapport de masse d'oxygène et d'hydrogène est de 8/1 (soit 1 kg d'hydrogène exige 8 kg d'oxygène pour former du H₂O), la quantité d'hydrogène est réduite en $H \;-\; \frac{0_2}{8}$. La formule pour l'air théorique nécessaire est donc changée comme suit : $\frac{1}{100}[11,52 \;C \;+\; 34,56 \;(H_2 \;-\; \frac{0_2}{8})\;+\; 4,32 \;S]$ Où : C = le pourcentage de carbone $0_2$ = le pourcentage d'oxygène H₂ = le pourcentage d'hydrogène S = le pourcentage de soufre Les calculs précédents sont tous fondés sur les équations pour la combustion complète du carbone, de l'hydrogène et du soufre. Il faut se rappeler que la combustion incomplète du carbone en monoxyde de carbone est possible et doit être évitée car le monoxyde de carbone est un gaz combustible toxique. ### Air théorique nécessaire Soit l'analyse de charbon suivante, calculez la quantité théorique d'air nécessaire : | | | | -------- | ---- | | Azote | 2,0% | | Oxygène | 7,9% | | Carbone | 76,7% | | Cendre | 7,0% | | Soufre | 0,5% | | Hydrogène | 4,9% | Notez que la cendre et l'azote sont incombustibles. À l'aide de la formule dérivée pour l'air théorique nécessaire : $\frac1{100} \;[11,52 \;C \;+\; 34,56 \;(H \;-\; \frac{0_2}{8})\;+\; 4,32 \;S]$ $= \frac1{100} \;[11,52 \times 76,7 \;+\; 34,56 \;( \;4,9 \;-\; \frac{7,9}{8})\;+\; 4,32 \times 0,5]$ $= 0,01 \;(883,584 \;+\; 34,56 \times 3,9125 \;+\; 2,16)$ $= 0,01 \;(883,584 \;+\; 135,216 \;+\; 2,16)$ $= 0,01 \;(1020,96)$ $=10,21 \;kg \;d'air \;/\; kg \;de \;combustible \;(Rép.)$ .. Chaque kilogramme de combustible brûlé exige une alimentation en air théorique de 10,21 kg. ### Calcul de l'excès d'air Puisque les conditions théoriques ne sont jamais atteintes dans le fonctionnement d'une chaudière, il importe que les calculs précédents soient reliés aux conditions pratiques. La masse d'air exigée théoriquement pour la combustion de 1 kg de charbon sec est (selon le calcul ci-dessus) 10,21 kg. Pour chaque 20% qui dépasse cette quantité (soit chaque 2,042 kg au-dessus de 10,21), il apparaît dans les produits de combustion: $2,042 \times 0,2315 \;=\; 0,4727 \; kg \; 0_2$ $2,042 \times 0,7685 \;=\; 1,5693 \; kg \; N_2$ ## OBJECTIF 3 Interpréter l'information fournie sur un dessin de construction approuvé type pour un réservoir sous pression et autre équipement. ### ANALYSE DE COMBUSTIBLE Un dessin de construction approuvé type est une illustration de la pièce d'équipement illustrée. La bonne manière de lire ce type de dessin permet d'apprendre bien des détails. Dans le cas d'une pompe ou d'un compresseur (figure 9), trois vues différentes sont données : en plan, de face et latérale. Il faut analyser un combustible pour en déterminer les composants puisque ceux-ci déterminent les caractéristiques de combustion des combustibles, la quantité d'air nécessaire pour la combustion et la valeur calorifique du combustible. Deux méthodes d'analyse sont utilisées, soit l'analyse quantitative approximative et l'analyse élémentaire. #### Analyse quantitative approximative Cette analyse est effectuée sur un combustible solide, comme le charbon, pour déterminer les pourcentages d'humidité, de matière volatile, de carbone fixe et de cendre. Cela indique le comportement du combustible dans le foyer, dans une certaine mesure, et suggère la meilleure méthode d'allumage du combustible. La marche à suivre consiste à prendre trois échantillons pesés, un échantillon pour chaque partie de l'analyse. Le premier échantillon est asséché pendant une heure dans un four, à 105 °C, puis il est pesé de nouveau. Le pourcentage d'humidité est la perte de la masse divisée par la masse initiale de l'échantillon et le résultat est multiplié par 100. Le deuxième échantillon est chauffé dans un contenant couvert libre d'oxygène à 954 °C pendant sept minutes. La perte de masse représente l'humidité et la matière volatile et le pourcentage de matière volatile est obtenu en soustrayant le pourcentage d'humidité, déterminé précédemment. Le troisième échantillon est chauffé pendant deux heures à 760 °C pour obtenir une combustion complète. Le résidu indique la teneur en cendre. Le pourcentage de carbone fixe est la différence entre 100 et la somme des pourcentages de cendre, de matière volatile et d'humidité. Un exemple d'une analyse quantitative approximative est comme suit : | | | | ------ | ---- | | Carbone fixe | 57,43% | | Matière volatile | 34,67% | | Humidité | 2,71% | | Cendre | 5,19% | #### Analyse élémentaire L'analyse quantitative approximative suffit pour déterminer les qualités de combustion d'un combustible, mais une analyse plus détaillée est nécessaire pour les calculs de combustion. Cette analyse détaillée, appelée analyse élémentaire, détermine par méthodes chimiques les éléments présents, comme le carbone, l'azote, l'oxygène, l'hydrogène et le soufre. L'analyse doit donc être faite en laboratoire par un chimiste qualifié. L'analyse élémentaire du même charbon utilisé pour l'analyse quantitative approximative est la suivante : | | | | ------ | ---- | | Carbone | 79,71% | | Hydrogène | 5,29% | | Soufre | 1,26% | | Oxygène | 7,13% | | Azote | 1,42% | | Cendre | 5,19% | Puisque l'analyse quantitative approximative et l'analyse élémentaire sont fondées sur le pourcentage de masse, la teneur en cendre est la même dans les deux analyses. La teneur en carbone dans l'analyse élémentaire est du carbone fixe et du carbone dans la matière volatile. Le pourcentage en carbone dans cette analyse est donc plus grand que dans l'analyse quantitative approximative. Les analyses s'expriment de diverses manières : * tel que reçu out el que chauffé; * sec ou sans humidité; ou * sans humidité ni cendre. Dans la méthode (a), les composants sont énumérés comme ils sont trouvés dans le combustible tel que reçu ou tel que chauffé dans le foyer. La teneur en humidité est comprise dans la teneur en hydrogène et en oxygène. Dans la méthode (b), la masse d'humidité est éliminée et les composants sont énumérés comme un pourcentage de la masse restante de combustible. Dans la méthode (c), la masse de l'humidité et de la cendre est éliminée et les composants sont énumérés comme un pourcentage de la masse restante du combustible. #### Valeur calorifique Lorsqu'une unité de quantité d'un combustible est complètement brûlée, la chaleur produite par cette combustion est appelée la valeur calorifique du combustible. Elle est exprimée en kJ/kg, pour les combustibles solides et liquides, et en kJ/m³ pour les combustibles gazeux. Dans le cas d'un combustible gazeux, les mètres cubes sont mesurés aux conditions types de 16 °C et 101,3 kPa. Deux méthodes sont utilisées pour déterminer la valeur calorifique d'un combustible : * par calcul, basé sur l'analyse élémentaire du combustible; et * en brûlant un échantillon de combustible et en mesurant la chaleur produite dans un instrument appelé calorimètre. La première méthode est basée sur la connaissance que lorsqu'il brûle : * 1 kg de carbone produit 33 890 kJ; * 1 kg d'hydrogène produit 143 900 kJ; et * 1 kg de soufre produit 9 290 kJ. Ces valeurs ont été obtenues par expérience. Donc, il est possible de calculer la valeur calorifique si la quantité de carbone, d'hydrogène et de soufre contenue dans le combustible est connue à la suite de l'analyse élémentaire. Dans la seconde méthode, où un calorimètre est utilisé, une masse mesurée d'un combustible solide ou liquide ou un volume mesuré d'un combustible gazeux est brûlé en présence d'une quantité suffisante d'air pour assurer la combustion complète. La chaleur produite est absorbée par une quantité mesurée d'eau contenue dans une chemise autour du contenant de combustible. L'augmentation de température de l'eau est mesurée et la quantité de chaleur produite est déterminée. L'extérieur du calorimètre est isolé pour empêcher que la chaleur s'échappe à l'atmosphère environnant. #### Calorimétrie La calorimétrie est une procédure expérimentale qui mesure la quantité d'énergie (chaleur) transférée pour déterminer les propriétés thermiques d'une substance. L'instrument utilisé est un calorimètre; le type le plus courant pour déterminer la valeur calorifique est le calorimètre à bombe à oxygène. Le calorimètre, comme ceux illustrés aux figures 1 à 3, consiste en : * la bombe dans laquelle est brûlé l'échantillon de combustible; * la cuve contenant une quantité mesurée d'eau et la bombe; * l'enceinte qui protège la cuve des variations de température ambiante et des courants d'air dans la pièce; * le thermomètre, habituellement 60 cm de longueur et gradué de 19 °C à 35 °C, en accroissements de 0,02 °C. *Description of Figure 1: Sketch of a bomb calorimeter showing the following part: Oxygen non-return valve, Bomb, Bucket* *Figure 2 is a calorimeter set up, with a thermometer, an agitator motor, a cylinder-shaped calorimeter, and source d'allumage de 12 V.* *Figure 3 shows a cross section of a calorimetric bomb calorimeter, with the following parts: 1 - Thermometer, from 19 °C to 35 °C 2 - Reading lens for thermometer 3 - Motor with pulley 4 - Belt drive for agitator 5 - Agitator pulley 6 - Ignition cable 7 - Agitator shaft with rotor 8 - Oval tank 9 - Calorimeter jacket with lid 10 - Oxygen combustion bomb* #### Marche à suivre L'échantillon de combustible, environ 1 g et pesé à la quatrième décimale, est placé dans une coupelle dans la bombe avec un câble d'allumage juste au-dessus de l'échantillon. La bombe est fermée et chargée d'oxygène à une pression entre 2000 et 2500 kPa. La bombe est placée dans la cuve et une masse mesurée d'eau, généralement 2 kg, y est versée. Le couvercle du calorimètre, avec l'agitateur et le thermomètre, est mis sur le calorimètre et l'agitateur est mis en marche. Lorsque la température s'est stabilisée, normalement après environ 5 minutes, le câble d'allumage est mis sous tension et il se produit une combustion explosive. La chaleur produite par la combustion du combustible est transférée à l'eau entraînant une augmentation de température. Cette augmentation est appliquée à la formule fournie avec l'instrument et la valeur ainsi calculée est la valeur calorifique la plus élevée (kJ/kg), puisque la chaleur de la vapeur d'eau dans la bombe est transférée à la cuve d'eau extérieure et l'eau reste à l'état liquide dans la bombe. ##### Valeur calorifique supérieure et inférieure Les valeurs calorifiques, déterminées par l'utilisation de la calorimétrie ou par la formule de Dulong, sont appelées les valeurs calorifiques supérieures. Ces valeurs comprennent la chaleur latente de la vapeur d'eau dans les produits de combustion. L'utilisation de la formule de Dulong sera expliquée dans l'objectif suivant. Les valeurs représentent l'énergie totale dégagée par la combustion complète d'une unité de quantité de combustible. Dans le fonctionnement réel d'une chaudière, la vapeur d'eau dans le gaz de combustion sortant de la chaudière n'est pas refroidie sous le point de rosée. La chaleur latente n'est donc pas disponible pour produire de la vapeur. La soustraction de la chaleur latente de la valeur calorifique supérieure donne la valeur calorifique inférieure. Cette réduction de la valeur calorifique, en kJ/kg de combustible, est égale à la masse totale de vapeur d'eau par kilogramme de combustible (humidité dans le combustible plus la vapeur formée par la combustion d'hydrogène dans le combustible) multipliée par la chaleur latente d'évaporation. ## OBJECTIF 3 Utiliser la formule de Dulong pour calculer le pouvoir calorifique du combustible à l'aide de l'analyse élémentaire d'un combustible. ### VALEUR CALORIFIQUE La valeur calorifique du combustible est calculée à l'aide des résultats de l'analyse élémentaire du combustible. À partir de l'analyse de combustible, les pourcentages des combustibles (carbone, hydrogène et soufre) sont connus. Puisque la chaleur de combustion de ces éléments est connue, il est facile de calculer la valeur calorifique des combustibles. La table 2 donne la chaleur de combustion pour le carbone, l'hydrogène et le soufre. #### Exemple 1 Calculez la valeur calorifique d'un combustible avec l'analyse élémentaire suivante : | | | | -------- | ---------------------------------- | | Carbone | 65,0% (0,65 kg/kg de combustible) | | Hydrogène | 4,7% | | Soufre | 0,5% | | Cendre | 9,8% | | Oxygène | 18,2% | | Azote | 1,8% | #### Solution La valeur calorifique chimique d'un combustible est calculée à l'aide de la formule de Dulong, soit : $Valeur \;calorifique \;=\; 33,7 \;C \;+\; 144 \;(H \;-\; \frac{0_2}{8})\;+\; 9,3 \;S$ Où C, H et S représentent respectivement la masse du carbone, de l'hydrogène et du soufre par kilogramme de combustible. Le résultat est en MJ par kg de combustible. À l'aide de l'analyse donnée à l'exemple 1, la valeur calorifique selon la formule de Dulong est comme suit : $= (33,7 \times 0,65 ) \;+\; [144 \times (0,047 \;-\; \frac{0,182}{8})]\;+\; (93 \times 0,005)$ $= (33,7 \times 0,65 ) \;+\; [144 \times (0,047 \;-\; 0,0228)]\;+\; (93 \times 0,005)$ $= (33,7 \times 0,65 ) \;+\; [144 \times 0,02425]\;+\; (93 \times 0,005)$ $= 21,905 \; MJ \;+\; 3,492 \; MJ \;+\; 0,0465 \; MJ$ $= 25,4435 \; MJ/kg \;(Rép.)$ ## OBJECTIF 3 Décrire les propriétés, les classifications et les caractéristiques de combustion du charbon. ### CLASSIFICATIONS DU CHARBON L'American Society for Testing and Materials, ASTM, classe le charbon en quatre groupes principaux avec plusieurs sous-classifications (voir la table 1). Les quatre groupes sont : * anthracite; * bitumineux; * gras inférieur; et * lignite. #### Anthracite L'anthracite est dur, dense, très fragile et noir brilliant sans couches. Il a un haut pourcentage de carbone fixe et un bas pourcentage de matière volatile, principalement du méthane (CH4). Les anthracites comprennent une variété de combustibles à combustion lente, se transformant en graphite à une extrémité de la classification et en charbon bitumineux à l'autre extrémité. La plupart des anthracites ont une valeur calorifique plus basse que la meilleure qualité de charbon bitumineux. L'anthracite coûte cher, a une température d'allumage élevée et brûle lentement. Il représente donc un combustible qui ne convient pas aux chaudières auxiliaires. Les semi-anthracites sont gris foncé et distinctement granulaires. Ils ont des pourcentages inférieurs de carbone fixe et des pourcentages supérieurs de matière volatile. La teneur en carbone fixe inférieure les fait brûler plus vite et la teneur supérieure en matière volatile diminue la température d'allumage; cela augmente la stabilité de l'allumage. #### Bitumineux Les charbons bitumineux forment le groupe le plus grand. Le nom vient de leur tendance à produire une masse cohésive collante quand ils sont chauffés. La teneur en carbone est inférieure à celle de l'anthracite, mais la teneur en matière volatile est plus grande. La composition de la matière volatile est plus complexe que celle de l'anthracite et la valeur calorifique est supérieure. Les charbons bitumineux brûlent facilement, particulièrement quand ils sont pulvérisés. Ils ne conviennent pas particulièrement bien à l'utilisation avec des chargeurs car ils cuisent sur la surface du lit de charbon, empêchent une alimentation uniforme de l'air et causent des pertes de combustible imbrûlé. Le charbon demigras est gris noir et granuleux. Le charbon flambant est distinctement de structure laminaire avec de minces couches de charbon noir brillant alternant avec des couches ternes semblables au charbon. La houille grasse est en transition entre le charbon flambant et le charbon demigras. Ils ont les caractéristiques des deux, certains sont granulaires, doux et faciles à