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TECHNIQUES DE LA COMBUSTION INTRODUCTION La combustion occupe dans l’industrie une place prépondérante dans la mesure où elle permet de satisfaire d' énormes besoins aussi bien dans le domaine de la valorisation énergétique du combustible (production de l...

TECHNIQUES DE LA COMBUSTION INTRODUCTION La combustion occupe dans l’industrie une place prépondérante dans la mesure où elle permet de satisfaire d' énormes besoins aussi bien dans le domaine de la valorisation énergétique du combustible (production de la chaleur, de l' énergie électrique, etc....) que dans le domaine de la valorisation chimique du combustible (synthèse de nombreux produits chimiques.) Ce cours se propose de donner les règles de conduite de la combustion notamment dans le domaine de la production de l' énergie. Le premier chapitre donne les principales caractéristiques des combustibles en particulier la composition chimique et le pouvoir calorifiques. Le deuxième chapitre traite les différents modes de combustion : neutre, oxydante, et réductrice et de la notion importante de l' excès d' air optimal. L’importance des produits de combustion ainsi que les principaux analyseurs utilisés sont également présentés dans ce chapitre. Le troisième chapitre donne les méthodes d' évaluation des pertes et du rendement de combustion, paramètres d' extrême importance pour l' exploitation des installations de combustion. Le quatrième chapitre et consacré aux brûleurs industriels et aux conditions nécessaires à l' initiation, au développement et au maintient de la combustion. Le dernier chapitre donne enfin la procédure systématique de réglage de l' excès d' air en vue d' assurer un rendement optimal. 1  CHAPITRE PREMIER CARACTERISTIQUES DES COMBUSTIBLES Le combustible est une substance solide, liquide ou gazeuse possédant dans un petit volume une forte quantité de chaleur qu' il est susceptible de céder à l' extérieur. Cette quantité de chaleur ne pourra être révélée qu' en mettant le combustible en contact avec l' oxygène de l' air dans certaines conditions. On réalise ainsi une réaction chimique exothermique dite combustion. I-1 COMPOSITION CHIMIQUE DES COMBUSTIBLES Les éléments principaux des combustibles sont essentiellement le carbone (C) et l' hydrogène (H). Mais les combustibles industriels rencontrés sont des composés renfermant également d' autres éléments tel que le soufre (S), l' oxygène (O), l' azote (N), l' eau et les cendres (surtout pour les combustibles solides). D' une manière formelle, un combustible pourrait être représenté par la formule chimique globale Cn Hm Op Nq St. les combustibles sont connus par leur composition pondérale (cas des liquides et des solides) ou volumique (cas des gaz). Les combustibles sont classés selon leur état physique : gazeux, liquide ou solide. 2  I-1-a- Combustibles gazeux. Les combustibles, gazeux sont en général constitués par un mélange de plusieurs gaz simple tel que l' hydrogène (H2), les hydrocarbures( Cn Hm) et d' autres gaz en quantité très faible : gaz carbonique (CO2), azote (N2), Hydrogène sulfuré (H2S) etc.…. Ces derniers gaz sont généralement éliminés après traitement. On distingue différents types de combustibles gazeux : *Gaz Naturel : ce sont des gaz qui ne se liquéfient pas aux températures ordinaires sous la pression de quelques bars auxquelles ces gaz sont transportés et manipulés. Ces gaz proviennent des gisements souterrains, leurs compositions chimiques varient selon la provenance. Le constituant essentiel est le méthane (CH4) représentant 80 à 100% du volume. Le gaz naturel contient également des hydrocarbures de masse moléculaire plus élevée en plus ou moins grande proportions : éthane (C2H6), propane. (C3H8), butane (C4H10) et quelques autres hydrocarbures. Le gaz naturel peut contenir en outre des gaz non combustibles tels que l' azote, le gaz carbonique et l' hydrogène sulfuré. Exemple : composition volumique du gaz naturel d' origine Skikda en Algérie. CH4 : 89,3 % C2H6 : 6,2 % C3H8 : 0,6 % C4H10 : 0,l % N2 : 3,8 % masse volumique TPN : 0,79 kg/m3 3  Compte tenu de leur forte teneur en méthane, les gaz naturels ont généralement des propriétés physiques et chimiques voisines de celles du méthane (masse volumique = 0,7168 kg/m3 et la densité par rapport à l' air = 0,554). La teneur maximale en soufre, très faible est fixée par arrêtés ministériels en raison des problèmes de pollution et de corrosion que la combustion du soufre peut engendrer. *Gaz de Pétrole liquéfiés (GPL) : ces gaz sont des mélanges d' hydrocarbures dont la composition est fixée par arrêtés ministériels. Les GPL les plus employés sont le butane et le propane commerciales ils sont obtenus par distillation des produits pétroliers. Suivant le brut traité, on peut en extraire 2 à 3 % de son poids en moyenne dont 1/3 en propane et 2/3 en butane mélangés à d' autres hydrocarbures en faible pourcentage le tableaux suivant donne un exemple de composition moyenne des GPL. C2H4 C2H6 C3H6 C3H8 C4H8 C4H10 C5H12 (kg/m3) Butane 3,2 - - 6,1 21,8 68,6 0,3 2,65 commercial Propane 0,5 2 30 65,5 - 2 - 2,04 commercial Remarques : Le butane commercial est constitué en moyenne de 90,4% de butane (C4H10) + Butène (C4H8) le propane commercial de 95,5 % de propane (C3H8) + propène (C3H6). La densité par rapport à l' air des GPL est supérieure à 1. La teneur maximale en soufre admise est très faible de l' ordre de 0,0005 % en masse. 4  Ces gaz sont caractérisés par leur aptitude à se liquéfier sous une pression relativement basse à la température ordinaire, ce qui permet de stocker facilement les GPL à l' état liquide donc sous faible volume à l' inverse des gaz naturels. Le tableau suivant donne les températures d' ébullition des GPL. P relative en (bar) T°C Butane comm. T°C Propane comm. 0 -0,5 -42 1 19 - 26,5 2 31 - 14 3 40,5 - 5,5 Dans le domaine industriel, les brûleurs consomment les GPL à l' état gazeux, il faut les soutirer sous cette forme des réservoirs où ils sont stockés à l' état liquide. Il faut donc vaporiser ce liquide et éviter tout risque de condensation même partielle dans les conduites d' utilisation. Le propane commercial dont le point d' ébullition est bas (- 42°C) permet donc une utilisation plus aisée que le butane commercial, cependant la production de ce dernier étant plus importante que celle du propane et le stockage étant plus économique (pression d' épreuve plus faible, pouvoir calorifique plus élevé que celui du propane) c' est le butane qui est plus utilisé dans l' industrie. *Mélange des gaz : ce sont des gaz de pétrole liquéfié enrichit par l' adjonction du méthane ou appauvrit par l' adjonction de l' air suivant les besoins. On distingue 3 mélanges. air propané (1ère famille) : il est composé clé 25% de propane et, 72% - L' TPN d' air, sa masse volumique dans les conditions normales de P et T est de 1,47 kg/m3 et sa densité égale à 1,14. 5  air propané (2ème famille) : 55% de propane et 43 % d' - L' air, TPN = 1,68 kg/m3 et sa densité 1,3. air butané (1ère famille.) : 19 % de butane et 79% d' - L' air, TPN = 1,55 kg/m3 et sa densité = 1,2. Le tableau ci-dessous donne un exemple de la composition moyenne de ces gaz. C2H4 C2H6 C3H6 C3H8 C4H8 C4H10 C5H12 O2 N2 Air propané 0,2 0,5 8,3 18,2 - 0,5 - 15,2 57,1 1èreF Air propané 0,3 1,1 17,2 37,6 - 1,1 - 9,0 33,7 2èmeF Air butané 0,7 - - 1,3 4,6 14,5 0,1 16,6 62,2 1ère F I-1-b- Combustibles liquides Les combustibles liquides sont obtenus par distillation des produits pétroliers brut. Les combustibles liquides se divisent en deux classes : * Les combustibles distillés à molécules relativement léger tels que le pétrole Lampant et le fioul domestique appelé Gasoil. * Les combustibles résiduels où se concentrent les molécules les plus lourdes contenues dans le pétrole brut tels que les fiouls lourds N°1, 2 et 7. Les différents fiouls se distinguent par leurs propriétés physiques et chimiques en particulier. - Le point d' éclair : c' est la température minimale à laquelle le fioul commence à émettre des vapeurs qui s' enflamment en présence d' une flamme. 55 à 120°C pour les fiouls domestiques et une température supérieure à 70°C pour les fiouls lourds. C' est une caractéristique de sécurité. 6  - Le point d' écoulement : c' est la température à laquelle se fige le liquide. Pour les fiouls lourds, cette température est de 10 à 20°C et peut atteindre 40°C. Il faut par conséquent stocker les fiouls lourds à des températures supérieures à 40°C. - La viscosité exprimée en centistokes (cts) ou en Engler, elle caractérise la fluidité des produits à chaud. Pour se rapprocher des conditions de mise en oeuvre, la viscosité est déterminée à 20°C pour les fiouls domestiques (elle est inférieure à 9, 5 cts) et à 100°C pour les fiouls lourds (elle est inférieure à 40 cst). La figure donne les variations de la viscosité pour différents fiouls en fonction de la température. La viscosité est un paramètre important qui intervient lors du transfert du combustible (préchauffage des fiouls) et de la combustion (pulvérisation des fiouls). Plus un fioul est visqueux, c' est le cas des fiouls lourds, plus il nécessite un réchauffage plus important en vue d' une utilisation correcte et aisée. 7 Diagramme de viscosité 8  Les combustibles liquides sont des mélanges d' hydrocarbures (CnHm) et d' autres constituants. Ils sont connus en général par leur analyse pondérale élémentaire. Les proportions du carbone, d' hydrogène et des autres constituants sont comprises entre les limites moyennes suivantes : Carbone : de 84 à 87 % Hydrogène : de 10 à 14 % Soufre : de 0,2 à 4 % Divers (O2, N2 etc.….) : de 0 à 1 %. A titre d’exemple, on donne la composition moyenne du fioul lourd N°2 - Carbone : 85,9% - Hydrogène : 10,5 % - Soufre : 3,0 % - Oxygène : 0,4 %. - Azote : 0,2 % Dans les combustibles liquides, on peut aussi isoler des constituants particuliers en très faibles proportions mais qui peuvent poser certains problèmes d' exploitation. Parmis ces constituants on citera : - Les asphaltènes : ce sont des composés d' hydrocarbones les plus lourds et les plus riches en carbone. Ces particules sont généralement dissoutes dans les fiouls, mais des températures élevées ou le mélange de fiouls de nature différente peuvent entraîner leur agglomération et leur sédimentation. Leur teneur est variable selon l' origine du brut et le schéma de raffinage. 9  -Les sédiments : ils proviennent essentiellement de la rouille des réservoirs de stockage et de la tuyauterie et des grains de sable ou de terre introduit accidentellement. Ils entraînent l' abrasion des injecteurs, le grippage des pompes et le bouchage des organes de régulation et de combustion. La filtration est donc une opération importante pour retenir ces impuretés. - Les métaux : leurs teneurs sont très variables en fonction de l' origine des bruts et de leur traitement. Le vanadium et le sodium notamment peuvent être gênants car leurs dérivés peuvent participer aux phénomènes de corrosion à basse et haute température et contribuer à la formation de dépôts. La plupart des fiouls ont généralement une teneur en vanadium comprise entre 50 et 200 ppm (mg/kg). Les autres métaux sont présents à des concentrations généralement beaucoup plus faibles. I-1-c- Les combustibles solides Ce sont essentiellement des combustibles végétaux, soit sous leur forme actuelle (bois, pailles, bagasse, etc....) soit sous forme fossile où ils deviennent charbon (les tourbes lignites, houilles et anthracite), ces derniers proviennent de la décomposition des végétaux au cours des époques géologiques. Plus le combustible est ancien, plus sa teneur en carbone augmente tandis que diminuent ses teneurs en hydrogène et en oxygène, c' est le cas de l' anthracite. Tout combustible solide est constitué : - De matière organique dont les principaux constituants sont le carbone, l' hydrogène et l' oxygène auxquelles s' ajoutent en proportion faible le soufre et l' azote. - De matières minérales souvent assimilées aux cendres, ce sont (les mélanges de minéraux complexes (argiles, schistes, etc....) 10  - D' eau d' humidité, on distingue l' eau de mouillage, appelée humidité externe, liée aux conditions de traitement et de stockage du combustible et l' eau de rétention, appelée humidité interne, retenue au sein même de la matière organique liée à la nature du combustible. La composition chimique des combustibles solides varie en fonction de leur origine et de leur condition de formation. Deux méthodes sont utilisées pour caractériser et analyser un combustible solide. - L' analyse chimique élémentaire qui consiste à : * Brûler complètement, en présence d' oxygène pur, un échantillon de charbon sec (si possible dépourvu de tout élément minéral). * Mesurer ensuite les pourcentages du gaz carbonique (CO2), de la vapeur eau (H2O), de l' d' anhydride sulfurique (SO3), de l' oxygène (O2) et de l' azote (N2) présents dans les fumées. * Déduire les pourcentages en carbone (C) en hydrogène (H2), en soufre (S), en oxygène (O2) et en azote (N2) contenus dans le charbon. A titre d' exemple, on donne la composition moyenne d' un charbon (matières sèches) : o Carbone 87 % o Hydrogène 5,2 % o Soufre 5,2 % o Oxygène 5,8 % o Azote 1,5 % L' analyse chimique élémentaire des combustibles solides nécessite un matériel complexe, on pratique couramment l' analyse sommaire ou immédiate d' exécution rapide et simple. 11  - L' analyse sommaire ou immédiate qui consiste à chauffer à l' abri de l’air (pyrolyse) un échantillon représentatif du charbon de masse P. * Vers 105 à 110°C, le charbon perd son humidité, il reste alors une masse P1 de charbon sec. On détermine la teneur en eau: P − P1 H2O = P Pendant la pyrolyse, le charbon s' échauffe et au dessus d' une certaine température, de l' ordre de 350°C, il se dégage des constituants de gaz essentiellement (H2, CH4, CO, et CO2). La quantité dégagée est une caractéristique importante du charbon. * Enfin de chauffe, vers 1000°C, il se forme un résidu solide, le coke de masse P2. On détermine l' indice de matières volatiles: P1 − P 2 Indice de mat vol = P * Brûler enfin le coke en présence de l' oxygène, il reste un résidu incombustible, les cendres de masse P3. La partie combustible du coke est appelée carbone fixe. On détermine alors la teneur (C0) en carbone fixe. P 2 − P3 C0 = P Et la teneur en cendre : P3 Cendre = P 12  Avec le dégagement des matières volatiles, on constate au cours de l' échauffement que certains charbons se ramollissent passagèrement, ce qui permet aux grains de s' agglutiner et de gonfler. Ce phénomène peut modifier la couche de charbon en combustion. Cette propriété est caractérisée par l' indice de gonflement. On notera par ailleurs que la classification des combustibles solides repose généralement sur l' indice des matières volatiles et sur l' indice de gonflement. I-2- POUVOIR CALORIFIQUE DES COMBUSTIBLES C' est la chaleur dégagée par la combustion complète de l' unité de masse (1Kg) ou de volume (1m3) du combustible, celui-ci étant pris et les produits de combustion ramenés aux conditions normales de température et de pression (T de 0°C et P de 1 atm). Il s' exprime généralement en KJ/kg pour les combustibles liquides ou solides et en KJ/m3N pour les combustibles gazeux. Le pouvoir calorifique peut aussi s' exprimer aussi en KJ/mole. Le pouvoir calorifique est une grandeur importante dont dépend la valeur technique et commercial du combustible dans la mesure où il caractérise leur contenu énergétique. Le pouvoir calorifique dépend directement de la composition chimique du combustible, de sa nature et de sa pureté (teneur en eau et en cendres). 13  I-2-a Pouvoir calorifique supérieur (PCS) et inférieur (PCI) On distingue les deux grandeurs PCS et PCI selon l' état physique de l' eau produite par la combustion, cette eau provient de l' humidité contenue initialement dans le combustible et de l' eau formée au cours de l' oxydation de l' hydrogène. Si l’eau produite par la combustion est à l' état liquide, on définit le PCS, or dans la réalité cette eau se trouve toujours à l' état vapeur dans les fumées (la température élevée des fumées ne permet pas sa condensation). Dans ce cas la chaleur dégagée par le combustible doit être diminuée de la chaleur nécessaire à la vaporisation de l’eau, on définit alors le PCI par : PCI = PCS - chaleur latente de vaporisation de l' eau produite par la combustion. La chaleur latente de vaporisation de l' eau pour les pressions partielles rencontrées habituellement dans les fumées est de l' ordre de 2500 kJ/kg. 2445 KJ/Kg dans les conditions standards: T = 25 °C et P = 1 atm A titre d' exemple, considérons la combustion de l' hydrogène H2 + 1/2 O2 H2Oliq + 142915 PCS de l' hydrogène = 142915 KJ/Kg Cette combustion produit de l' eau sous forme de vapeur: 1 Kg d' hydrogène produit 9 Kg d' eau, il en résulte PCI = 142915 - 2500 × 9 = 120415 KJ/Kg On a donc H2 + 1/2 O2 H2Ovap+ 120415 KJ/Kg 14  * cas d’un combustible liquide : l’eau formée dans les fumées provient de l' hydrogène (H % en masse) et de l' humidité contenue dans le combustible (E % en masse). E% H% PCS-PCI = 2500 × ( +9 ) 100 100 * cas d' un combustible gazeux l' eau formée dans les fumées provient de l' hydrogène (H% en volume) et des hydrocarbures (Cn Hm % en volume). On a : H2 + 1/2 O2 H2O + chaleur m Cn Hm + (n + ) O2 n CO2 + m/2 H2O + chaleur 4 Le volume d' eau contenu dans les fumées est VH2O. H% m CnHm% VH2O = + 100 2 100 La masse de ce volume est M H2O = 18/22,4×V H2O. Il en résulte : 18 H% m CnHm% PCS-PCI = 2500 × ( + ) 22,4 100 2 100 REMARQUE Le rapport R = PCI/PCS ne dépend que du combustible considéré, ainsi: R = 0, 93 pour les GPL R = 0,94 pour les fiouls R = 0,98 pour le charbon. I-2-b Détermination expérimentale du PC 15  C' est une mesure directe de la quantité de chaleur dégagée par la combustion d' un échantillon représentatif d' un combustible donné. Cette mesure précise mais délicate se fait de deux manières : ** A volume constant à l' aide de la bombe de MAHLER : - Cet appareil est une bombe de volume constant plongée dans l' eau d' un calorimètre hautement perfectionné. - L' échauffement de l' eau du calorimètre permet la mesure du PC à volume constant avec condensation des vapeurs. - Cette mesure convient aux combustibles solides et liquides. ** A pression constante à l' aide du calorimètre de JUNKERS: -Cet appareil est un brûleur parfaitement continu et calorifugé, fonctionnant à pression constante (analogue à un chauffe-eau hautement perfectionné). - L' échauffement de l' eau circulant dans le calorimètre permet la mesure du PC à pression constante avec condensation des vapeurs. -Cette mesure convient aux combustibles gazeux. REMARQUE : Les combustions industrielles se font à pression constante, mais la différence entre PC à volume constant et PC à pression constante est négligeable notamment pour les combustibles solides et liquides. I-2-c Détermination par le calcul du PC La détermination expérimentale du PC exige un matériel très perfectionné et un personnel qualifié, aussi on se contente souvent de calculer le PC à partir de : 16  La composition élémentaire du combustible Le PC des constituants du combustible Les caractéristiques physiques et/ou chimiques faciles à déterminer (masse volumique, indice de matières volatiles etc....) Cette méthode manque en général de précision, essentiellement parce que les différents composants ne sont pas mélangés mais combinés. ** Cas des combustibles gazeux. Xn PCS = Pn 100 Où Xn est la teneur volumique du constituant n et Pn le pouvoir calorifique de ce constituant en KJ/m3. Exemple : Propane commercial de composition moyenne C3H8 = 65,5 % C3H6 = 30 % C4H10 = 2 % C2H6 = 2 % C2H4 = 0,5 % PCS = 2167451 KJ/ Kmole Tableau donnant le pouvoir calorifique des principaux constituants des combustibles gazeux. 17  Gaz ou composé PC en MJ/kmole PC en MJ/kg Symbole élémentaire PCS PCI PCS PCI Carbone C 393,520 ----- 32,793 ----- Soufre S 296,224 ----- 9,257 ----- Hydrogène H2 285,830 241,820 142,915 120,910 Oxyde de carbone CO 282,990 ----- 10,106 ----- Hydrogène sulfuré H2S 567,800 523,790 16,700 15,405 Méthane CH4 890,330 802,310 55,506 50,019 Propane C3H8 2220,030 2043,990 50,455 46,454 Propène C3H6 2058,460 1926,430 49,010 45,897 Butane C4H10 2877,080 2657,030 49,604 45,810 Butène C4H8 2613,550 2437,510 46,670 43,526 Pentane C5H12 3536,140 3272,080 49,113 45,445 Etylène C2H4 1410,980 1322,960 50,392 47,248 Acétylène C2H2 1299,600 1255,590 49,895 48,291 Ethane C2H6 1559,850 1427,820 51,995 47,590 - Cas des combustibles liquides ou solides. On a proposé, pour calculer le PC à partir de l' analyse élémentaire un certain nombre de formules déduites de l' exploitation statistique des analyses et des mesures calorimétriques. A titre d' exemple on peut donner pour un combustible pur et sec (sans eau, cendres, etc....) : La formule de DOULONG O P C S = 80,8 × C + 344 × (H - ) + 25× S (Kcal / Kg) 8 18  C, H, O, S sont respectivement les teneurs en carbone hydrogène, oxygène, et soufre en %. La formule de VONDRACEK PCI = (78,6 +2,8 4 100 − C ) × C + 215(H - 0,1×O) + 25×S (Kcal/kg) IL existe d’autres formules empiriques basées sur les caractéristiques physiques et / ou chimiques du combustible plus facile à déterminer. Parmis ces formules on peut donner : -pour les combustibles solides formule de GUMZ PCI = 8150 + 38,33 × V - 1,1806×V2 (Kcal/kg) V est la teneur en matières volatiles -pour les combustibles liquides (formules GRAOGOE) PCI = 12925 - 3200 × d - 70 ×S (kcal/kg) d est la masse volumique du fioul à 15°C (g/cm3) S est la teneur en soufre en % Tableau donnant le Pouvoir calorifique de certains combustibles liquides, et solides utilisés au Maroc. 19 Combustibles PCS (MJ/Kg) PCI (MJ/Kg) Gasoil 45,3 42,7 Fioul lourd N°2 42,7 40,2 Fioul lourd N°7 43,6 41,0 Charbon local 23,9 23,4 Charbon importé 28,2 27,6 Bois desséché 20,5 18,4 Bagasses - 12,6 Grignons d' olives - 18,0 Remarques : Il est important de noter que les valeurs indiquées ne donnent qu' un ordre de grandeur du pouvoir calorifique puisque la composition des combustibles industriels est variable. La plupart des procédés de combustion n' exploitent pas la chaleur latente de vaporisation de l’eau présente dans les fumées, le PCI donne alors une valeur plus exacte de la quantité d' énergie produite par la combustion. Au Maroc et dans les pays Européens c' est la valeur du PCI qui est adoptée dans les calculs de combustion. EXEMPLE DE CALCUL : Coût d' énergie d' une tonne de vapeur d’eau saturante à 8 bars avec une température d' alimentation de 25°C. Le combustible utilisé est le fioul N°2 et le rendement de la chaudière est de 0,8. Energie reçue par l' eau Qutil = eau (Cp T + LV) Qutil = 1000 (4,186 (170 - 25) + 2050 = 2,67 GJ. Energie dégagée par le combustible : Qtot = Qutil/ = 3,32 GJ 20  Prix du fioul N°2 = 46,7 DH/GJ Coût de la tonne de vapeur : 46,7 × 3,32 = 155 DH. 21  CHAPITRE 2 TECHNIQUES DE COMBUSTION Une combustion est une réaction chimique entre le combustible et le comburant (le plus souvent, l' oxygène de l' air) dont l' intérêt principal est d' être fortement exothermique. Dans la réalité, il ne s' agit pas d' une seule réaction chimique, mais de plusieurs réactions élémentaires conduisant à une cinétique chimique complexe. Si on prend par exemple la réaction chimique globale du méthane (CH4) : CH4 + 3O2 CO2 + 2 H2O +chaleur Cette réaction ne donne en fait qu' un bilan de matière et d' énergie et ne reflète aucunement la réalité des réactions. II-1- COMBUSTIONS COMPLETES Une combustion est complète quand les produits de combustion sont eux même incombustibles, tels le gaz carbonique CO2, l' eau H2O et l' anhydride sulfureux SO2. Tous les combustibles industriels contiennent en proportions variables carbone et hydrogène et parfois du soufre. Les réactions de combustion de base sont celles du carbone, de l' hydrogène et du soufre. II-1-a- combustion du carbone. Elle peut être complète, dans ce cas : C + O2 CO2 + 393520 kJ/kmole. 22  Elle peut être incomplète si le comburant se trouve en quantité insuffisante, nous aurons alors : C + 1/2 O2 CO + 110530 KJ/Kmole. Le produit de cette combustion incomplète est le CO qui est un gaz combustible. Il est cependant possible de compléter la combustion apportant le complément d' oxygène nécessaire, on aura : CO + 1/2 O2 CO2 + 282990 KJ/Kmole. On constate que la somme des quantités de chaleurs fournis par les deux combustions successives (110530 + 282990 = 393520) correspondent à la combustion complète du carbone. II-1-b- combustion de l' hydrogène. H2 + 1/2 O2 H2Oliq + 285830 KJ/kmole. Cette combustion est toujours complète car il n' y a pas de formation de produit incombustible intermédiaire comme pour le carbone. Ceci n' empêche cependant pas qu' il peut y avoir de l' hydrogène imbrûlé par suite de manque de comburant ou de mauvais mélange combustible - comburant. II-1-c- combustion du soufre 23  S + O2 SO2 + 296224 kJ/Kmole. anhydride sulfureux SO2 est un gaz toxique et polluant. En plus il L' conduit à la formation de l' acide sulfurique H2SO4 : SO2 + 1/2 O2 SO3 Et SO3 + H2O SO4H2 H2SO4 est particulièrement corrosif pour les surfaces métalliques. II-2- COMBURANT Dans la pratique industriel, l' oxygène nécessaire à la combustion est apporté par l' air dont la masse volumique dans les conditions normales est air = 1,293 Kg/m3N et dont la composition approximative est : O2 = 21 % et N2 = 79 % en volume et, O2 = 23 % et N2 = 77% en masse. En fait l' azote de l' air ne participe pas à la combustion, on le retrouve intégralement dans les fumées. Dans certaines applications industrielles, le comburant est l' air plus ou moins enrichi en oxygène. De manière générale un comburant peut s' écrire sous la forme : O2 + x N2 x = 0 on est en présence de l’oxygène pur. x = 3,76 on est en présence de l' air atmosphérique. x < 3,76 on est en présence de l' air enrichi en oxygène. 24  II-2-a- comburant stoechiométrique C' est la quantité de comburant strictement nécessaire pour conduire théoriquement à l' oxydation complète du combustible, c' est -à-dire à la transformation : C en CO2. H2 en H2O. S en SO2. Le tableau, donnant les quantités théoriques ou stoechiométriques d' oxygène et d' air nécessaires à la combustion du carbone, de l' hydrogène et du soufre, est le suivant : Il faut en (kg) Pour brûler 1 kg de Oxygène Air Carbone 2,67 11,59 Hydrogène 8,00 34,78 Soufre 1,00 4,34 II-2-b- Calcul du comburant stoechiométrique La quantité d' air stoechiométrique dépend de la composition du combustible. - Cas des combustibles gazeux. Les combustibles gazeux sont connus par leur composition volumique tel que : 25  CO % + H % + CnHm % + O % + N % = 100 On a: CO + 1/2 O2 CO2 H2 + 1/2 O2 H2O CnHm + (n + m/4) O2 n CO2 + m/2 H2O Les quantités stoechiométriques d' oxygène ou d' air sont données par : m3 N 1 CO% 1 H % m CnHm% O% VO 2 ( 3 ) = + + (n + ) - m N 2 100 2 100 4 100 100 m3 N 100 Vairst ( 3 )= VO 2 m N 21 On note que si le combustible renferme lui même de l' oxygène il faut déduire cette teneur de la quantité stoechiométrique calculée à partir des constituants Combustibles. Exemple de calcul : Combustion stoechiométrique de l' air propané: C2H4 C2H6 C3H6 C3H8 C4H10 O2 N2 Composition 0,3 1,1 17,2 37,6 1,1 9,0 33,7 % 3 3 VO 2 = 2,683 m N/m N 3 3 Vairst = 12,8 m N/m N. 26  -cas des combustibles liquides ou solides. Les combustibles liquides ou solides sont connus pas leur composition pondéral tel que : C % + H % + S % + O % + N % + E % + K % = 100 E % et K % sont respectivement les teneurs en humidité et en cendres. La quantité stoechiométriques d' air petit être déterminée à partir du tableau suivant : composition du Masse molaire Moles/kg du Mole d' air/kg du combustible (g) combustible combustible Carbone C % 12 10 × C % /12 4,76 Hydrogène H % 2 10 × H %/2 2,38 Soufre S % 32 10 × S %/32 4,76 Oxygène O % 32 10 × O %/32 4,76 Azote N % 28 10 × N %/28 --- Le nombre de moles d' air stoechiométrique par Kg de combustible est donné par : st N air = 4,76×10× (C %/12 + 1/2 H %/2 + S %/32 - O %/32) air stoechiométrique en m3N par Kg de combustible : Le volume d' 22,4 Vairst = N air st × 1000 27  La masse d' air stoechiométrique en Kg par Kg de combustible : st M air = Vairst × air Où air = 1,293 est la masse volumique de l’air dans les conditions normales. Exemple de calcul : Combustion stoechiométrique du fioul N°2 de Composition moyenne en % : Carbone : 85,9 Hydrogène : 10,5 Soufre : 3,0 Oxygène : 0,4 Azote : 0,2 Quantité d' air stoechiométrique : Nombre de moles/Kg de combustible = 469,55 Volume d' air en m3N/Kg de combustible = 10,52 Masse d' air en Kg/Kg de combustible = 13,61 II-2-c- Richesse du milieu réactionnel. Le milieu réactionnel peut être caractérisé par sa composition, c' est-à-dire par les proportions relatives entre combustible et comburant. Un procédé commode consiste à comparer Le rapport (combustible/comburant) réel à un rapport de référence dit rapport stoechiométrique (combustible/comburant) stoech 28 L' expression: = (combustible/comburant) réel / (combustible/comburant) st Définit la richesse du milieu réactionnel. Pour une quantité donnée de combustible: = (comburant) st / (comburant) réel Il s' ensuit que : - Pour = 1 ; (comburant) st = (comburant) réel ; on est en présence d' un mélange stoechiométrique. - Pour < 1 ; (comburant) st < (comburant) réel ; on est en présence d' un mélange pauvre en combustible mais on a un excès de comburant (e). - Pour > 1 ; (comburant) st > (comburant) réel ; on est en présence d' un mélange "riche" en combustible mais on a un défaut de comburant (d). Remarques : * Dans certaines applications (diagrammes d' ostwold) on utilise le taux d' aération défini par : = 1/ = (comburant) réel / (comburant) st Dans le domaine de la production de chaleur (four, chaudières…) on utilise plus couramment la notion d' excès d' air que celle de richesse du milieu. 29  II-2-d- Notion d' excès d' air Dans la théorie, la quantité stoechiométrique d' air suffit à assurer une combustion complète. Ce qui exige un mélange parfait entre les molécules du combustible et du comburant au niveau du brûleur. Mais dans la pratique, ce mélange parfait n' est pas possible et l' utilisation de la quantité stoechiométrique conduit généralement à une combustion incomplète, ce qui se traduit par une perte importante d' énergie par imbrûlés. En effet, considérons la combustion du carbone, si elle est complète on a : C + O2 CO2 + 34000 KJ/kg. Et si elle est incomplète on a C + 1/2O2 CO + 9300 kJ/kg Dans ce cas on a perdu environ 70% de la chaleur de combustion du carbone. Intuitivement, on conçoit que pour augmenter la probabilité de rencontre entre les molécules du combustible et celles du comburant afin d' assurer la combustion complète, il est nécessaire de mettre d' avantage de molécules de comburant en présence d' une molécule de combustible. C' est pour cette raison que dans tout processus de production de la chaleur on opère toujours avec un excès d' air, et cet excès d' air se retrouve intégralement dans les fumées sous forme d' oxygène et d' azote. Cela nous conduit à définir la notion d' excès d' air par : 30  quantité d'air utilisée - quantité d'air stoechiométrique Excès d' air (e) = quantité d'air stoechiométrique Notons que l' excès d' air e et la richesse sont liés par la relation e = (1 - ) / pour