CHA PITRE 2  : GENERALITES SUR LA COMBUSTION

En milieu industriel, plusieurs procédés nécessitent de l’énergie thermique sous forme de

vapeur. Le dispositif permettant de chauffer l’eau et de produire de la vapeur si l’eau est

chauffée au-delà de la pression atmosphérique est la chaudière. La chaleur transférée à l’eau

est le plus souvent obtenue lors d’une réaction chimique appelée combustion. En effet, 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

Le développement de la société industrielle moderne et la sauvegarde de l'environnement se

fondent sur la maîtrise de cette réaction.

2.1. Définition de la combustion

La combustion est une réaction chimique d’oxydation d’un combustible (carburant) par un

comburant avec production de chaleur. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une

flamme, des étincelles, voire une explosion (déflagration ou détonation).

La combustion est dite complète si la totalité du combustible est oxydée. Au contraire elle est

incomplète s’il y a présence de combustible dans les fumées.

Pour que le comburant réagisse avec le combustible, il faut une énergie d’activation fournie

par l'échauffement du frottement dans le cas de l’allumette, le câble électrique qui chauffe, ou

une autre flamme, une étincelle, l’électricité, la radiation, la pression… qui permettront

toujours une augmentation de la température. De façon symbolique, l’association des trois

éléments à savoir : combustible, comburant et énergie d’activation est représentée par le

triangle du feu.

Combustible + Comburant Produits de combustion + Chaleur + Lumière

2.2. Le comburant

Le comburant usuel est, le plus souvent, le dioxygène pur, de l’air ou une espèce chimique

riche en oxygène (ozone, peroxyde d’hydrogène, acide nitrique). Il existe aussi des

comburants partiellement oxygénés (F2O, Cl2O, ClO2, CO2) ou non oxygénés (F, Cl, Br,

composés riches en F ou en Cl, comme ClF3). Mais ici, nous nous limiterons au cas de

combustion dans l’air.

2.3. Les combustibles et les caractéristiques physico-chimiques

Un combustible est une substance qui peut se combiner facilement avec l’oxygène selon une

réaction chimique.

2.3.1. Les types de combustible

Conformément aux états de la matière, un combustible peut être solide, gazeux ou liquide.

Cependant, quelle que soit la nature du combustible, la réaction de combustion proprement

dite ne peut avoir lieu que lorsque les réactifs sont sous forme gazeuse. Si le combustible n'est

pas à l'état gazeux, il se vaporise ou se sublime préalablement (éventuellement après

décomposition chimique).

2.3.1.1. Les combustibles solides

Les combustibles solides peuvent être :

d’origine végétale : bois, déchets de bois (sciures, copeaux), déchets végétaux de

l’industrie agroalimentaire, charbon de bois ;

d’origine minérale : anthracites et houilles, lignites (fraîches, séchées, ou broyées,…),

coke ; ou

d’origines diverses : ordures ménagères, déchets industriels.

2.3.1.2. Les combustibles gazeux

Les combustibles gazeux sont des mélanges de plusieurs constituants hydrocarbonés. Ils sont

soit d’origine naturelle (hydrocarbures naturels) ou soit d’origine artificielle (gaz de hauts

fourneaux, gaz de fours à coke, gaz de gazogènes, etc.).

2.3.1.3. Les combustibles liquides

Les combustibles liquides sont issus de la distillation du pétrole brute. Ils peuvent être

naturels (le pétrole) ou artificiels (mazout, fuel-oil, essence, gazoline, alcool, etc…). Leur

avantage sur les combustibles solides est lié à leur propreté, leur facilité de manutention et de

stockage [1]. Les fuel-oils et surtout le fuel-oil n°2 sont les plus couramment utilisés comme

combustibles liquides dans les chaudières. Tout d’abord, il est nécessaire de réchauffer le fuel.

Pour une bonne combustion, il faut pulvériser le combustible liquide le plus finement

possible. Cette pulvérisation peut être obtenue soit par la vapeur, par l’air à haute pression,

mécaniquement, ou soit de façon mixte (mécanique + air).

2.3.2. Caractéristiques physico-chimiques des combustibles

Certains paramètres issus des analyses aussi bien physiques que chimiques voire physico-

chimiques permettent de caractériser les combustibles quelle que soit leur forme.

2.3.2.1. Analyse qualitative des combustibles

Les corps combustibles liquide et solide contiennent toujours le carbone (C), presque toujours

de l'hydrogène (H), et plus exceptionnellement du soufre (S). 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.

Quant aux combustibles gazeux, ils contiennent des composés combustibles (H 2; ;

CH 4 ;C2H 4 ;…¿, de l’oxygène, d’eau, d’azote et de dioxyde de carbone.

2.3.2.2. Composition chimique 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.

L’unité de masse est le kilogramme (kg) et l’unité de volume est le mètre cube normal (N m3)

qui représente la quantité de gaz qui remplit 1 m3 lorsque les conditions de pression et de

température sont normales (c’est-à-dire 1 bar et 0°C). Le tableau suivant fournit la

composition élémentaire en pourcentage de masse des combustibles liquides courants.

% C % S % H % O % N

Fioul domestique 86,4 0,2 13,4 2 0,8

Fioul lourd N°1 87,2 1,9 10,5 0,7 0,4

Fioul lourds N°2 87,9 0,9 10,8 0,7 0,4

2.3.2.3. La viscosité

La viscosité est une caractéristique des combustibles liquide et gazeux qui traduit les

phénomènes de cohésion ou de frottement entre molécules, ainsi que les conditions

hydrodynamiques d'écoulement. Elle est la propriété physique principale qui différencie

les fuels. La viscosité est une donnée prise en compte dans la pulvérisation du fuel et varie

en fonction de la température. La viscosité du fioul lourd vaut 177 cSt à 50°C.

2.3.2.4. La densité

La densité est le rapport entre la masse et le volume du combustible à une température de

référence de 15°C. La connaissance de la densité d’un combustible est nécessaire pour

quantifier et apprécier la qualité de l’allumage et évaluer les possibilités calorifiques d'un

stockage ou pour établir des bilans thermiques, ainsi que pour expliquer les anomalies

de consommation. Le fioul de viscosité 180 cSt a une densité de 0,9843 à 15°C.

2.3.2.5. Le point d’éclair

Cette caractéristique est beaucoup plus liée aux combustibles liquides. Le point d’éclair est la

température la plus basse à laquelle un combustible liquide, sous une pression absolue de

1013 hPa, émet suffisamment de vapeurs inflammables pour que celles-ci s’enflamment au

contact d’une flamme existante, mais insuffisamment pour que la combustion amorcée puisse

se poursuivre d’elle-même si cette flamme est supprimée.

Chaque combustible liquide a son propre point d’éclair aussi appelé « point éclair » ou

« point d’inflammabilité » ou « flash point » qui donnera, entre autres, les limites hautes de

températures de stockage, de transport et de manipulation.

Le tableau suivant présente les points d’éclair de quelques combustibles liquides.

La réglementation répartit les combustibles liquides en quatre classes en fonction de leur point

d’éclair:

2.3.2.6. Le point d’inflammation

Le point d’inflammation est la température la plus basse à laquelle un combustible

liquide doit être porté pour qu’après inflammation, la combustion amorcée puisse se

poursuivre d’elle-même par réaction en chaîne. Chaque combustible liquide a son propre

point d’inflammation aussi appelé « point de combustion » ou « point de feu » qui est

environ de 20 K supérieur au point d’éclair.

2.3.2.7. La chaleur massique

La connaissance de cette caractéristique du combustible est indispensable pour mener à

bien les calculs de réchauffage, elle varie en fonction de la densité et de la température.

2.3.2.8. La teneur en soufre

La présence de soufre est surtout gênante en raison des émissions d'anhydride sulfureux

(SO2). Il est également une source potentielle de corrosion, si des précautions ne sont pas

prises dans la mise en œuvre des installations industrielles.

La teneur en soufre est la caractéristique principale qui permet de différencier le fioul lourd.

On distingue donc :

- le fioul lourd n°2, si la teneur en soufre est de 3 à 4% en masse fioul ;

- le fioul lourd n°2 de qualité dite BTS, si la teneur en soufre est de 1 à 2% en masse;

- le fioul lourd n°2 de qualité dite TBTS, si la teneur est inférieure ou égale à 1%.

2.3.2.9. Le pouvoir calorifique

2.3.2.9.1. 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. Il s’agit du contenu énergétique du combustible.

La chaleur ainsi libérée dépend:

- des conditions particulières dans lesquelles s’effectue la combustion ; et

- des états initial et 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 ; et

- 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 ) poù 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 ; et

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.

Le pouvoir calorifique peut être déterminé par calcul et par mesure expérimentale.

2.3.2.9.2. Détermination du pouvoir calorifique par calcul

A partir de l’analyse élémentaire, en utilisant la formule de Dulong, on peut calculer le

pouvoir calorifique supérieur (PCS) d’un combustible avec une précision acceptable.

Pour les combustibles solides,

PCS=81,4×c+345×h−30× (o+n ) enkCal /kg

Pour le fuel :

PCS=77× (c+3,5×h+0,27×s ) enkCal /kg.

avec : c ,h , o , net s les teneurs brutes respectives de carbone, d’hydrogène, d’oxygène,

d’azote, et de soufre en %.

Pour des raisons de préventions de la corrosion côté fumées, la température des gaz brûlés est

supérieure à 100°C à leur sortie de la chaudière. L’eau produite par la combustion reste alors

sous phase vapeur. Par conséquent, elle n’a pas cédé sa chaleur latente de condensation ; ce

qui diminue la quantité de chaleur cédée par les gaz brûlés. Nous aurons alors presque recours

au PCI. Par convention, le PCI s’obtient en déduisant du PCS ,600 kCal /kgde H 2O. Cela

correspond environ à la chaleur latente de vaporisation de l’eau.

PCI (àT °C )=PCS (àT °C )−m×Lv (àT °C )

avec : m : masse de l’eau de formation,

LV : chaleur latente de vaporisation de l’eau.

Il faut souligner qu’il existe, dans la littérature, de nombreuses autres relations pour le calcul

approché des pouvoirs calorifiques des combustibles à partir des proportions de leurs

constituants déterminées par l’analyse élémentaire.

Pour les calculs pratiques, les relations les plus utilisées pour la détermination du PCI sont:

Pour les combustibles solides et liquides :

PCI=33,8×c+12×(h−o8 )−2,5×w enMJ /kg

Pour les combustibles gazeux :

PCI=12,64× (co )+10,95× (h2 )+35,83× (ch4 )+75,34× (CnHm )enMJ /Nm3

Avec (co ), (h2), (ch4 ) et (CnH m ), les valeurs des teneurs respectives en CO, en H 2, en CH 4 et

en CnHm fournies par l’analyse élémentaire du combustible gazeux.

Dans l’industrie, généralement, l’eau sort de la cheminée à l’état vapeur, donc seul le PCI

présente un intérêt d’ordre énergétique.

2.3.2.9.3. Détermination expérimentale des pouvoirs calorifiques

a- Détermination du pouvoir calorifique supérieur 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.

b- Détermination du pouvoir calorifique supérieur à pression constante

On utilise un calorimètre à circulation d’eau analogue à un 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 parcouru 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.

Pour revenir au pouvoir calorifique inférieur à pression constante (PCI ) p ou PCI tout court

d’usage courant, il faut procéder à deux corrections :

Première correction : passage du (PCS)v au (PCS) p

Elle se réalise au moyen de l’application de la relation suivante :

PCSp=PCSv+135×(h−o8 )

avec : h et o, les teneurs respectives en hydrogène et oxygène du combustible fournies par

l’analyse élémentaire.

Deuxième correction : passage du (PCS) p au (PCI ) p ou PCI

Le (PCS ) p inclut la chaleur libérée par la condensation de l’eau formée au cours de la

réaction ; pour obtenir (PCI ) p ou PCI , il faut alors appliquer la relation :

PCI=PCIp=PCSp−Qe

La quantité de chaleur correspondante à l’eau Qe produite durant la réaction est donnée,

connaissant la composition massique du combustible, par :

pour les combustibles solides et liquides :

Qes . L=600× ( 9×h+w )( kCalkg

)

où w est la teneur en eau du combustible.

pour les combustibles gazeux :

QeG=480× (h2+h2o+2×ch4+2,45×∑ cmhp )(kCal

N m3)

Le tableau suivant fournit les pouvoirs calorifiques de quelques combustibles liquides usuels.

2.3.2.9.4. Pouvoir calorifique net PCN

Il est connu que toute l’énergie potentiellement disponible dans le combustible n’est pas

utilisable. On définit alors le PCN comme étant la quantité effective de chaleur utile dégagée

par la combustion complète de l’unité de masse (1 kg) ou de volume (Nm3) de combustible.

Le PCN se calcule par la relation :

PCN=PCI × (1−1,2×w ) kcalkg

oukcalkg

oukcal /N m3

2.4. La combustion dans l’air

Dans la plupart des cas, comme mentionné précédemment, le comburant utilisé est l’air,

plutôt que l’oxygène pur. La composition de l’air est approximativement, en fractions

molaires, 21% d’oxygène, 78% d’azote, et 1% d’argon. Ces deux dernières substances sont

supposées inertes, et pour simplifier, on considère que l’air est composé de 21% d’oxygène et

de 79% d’« azote atmosphérique » auquel on attribue une masse molaire fictive pour tenir

compte de la présence d’argon.

2.4.1. Conditions nécessaires à la combustion

La combustion n’est pas spontanée; il ne suffit 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. Au nombre de ces

conditions, il faut noter que :

- 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 ;

- un bon mélange entre l’air et le combustible doit être assuré. 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.

2.4.2. Modes de combustion et quantité d’air de combustion

En général, on classe la combustion en quatre catégories ; elle peut être donc :

-  stœchiométrique ou neutre, ou encore appelée théorique ;

- complète par excès d'air ou oxydante ;

- incomplète avec excès d'air ou semi-oxydante ; ou soit

- en défaut d'air ou semi-réductrice.

Les deux dernières combustions sont à proscrire car elles sont dangereuses pour la santé et

posent des problèmes de sécurité : production de CO (imbrûlés gazeux) et d’imbrûlés solides.

2.4.2.1. La combustion théorique

2.4.2.1.1. Définition et équation de réaction

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, H 2O, , N2, O2.

L’équation de la réaction de combustion théorique d’un hydrocarbure avec l’air s’écrit :

C xH y+(x+ y4 )O2+7921 (x+ y4 )N2→xCO2+

y2H 2O+ 79

21 ( x+ y4 )N2

2.4.2.1.2. Notion de 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. Il s’exprime en volume (V a) et son unité est le

N m3d ' air /kgde combustible. Il se détermine en connaissant la composition élémentaire du

combustible.

Les réactions chimiques élémentaires de la combustion sont :

- Combustion du carbone :

C+O2→CO2+Chaleur

- Combustion du soufre :

S+O2→SO2+Chaleur

- Combustion du monoxyde de carbone :

CO+ 12O 2→CO2+Chaleur

- Combustion du monoxyde de l’Hydrogène :

H 2+12O2→H 2O+Chaleur

- Combustion des hydrocarbures :

CmH p+(m+ p4 )O2→nCO2+

p2H

2

O+Chaleur

Pour la combustion neutre des combustibles solides et liquides dont c ,h , set o,

sont les teneurs en masse respectives de carbone, d’hydrogène, de soufre et d’oxygène

du combustible, le pouvoir comburivore s’exprime par :

V a=22,40,21 ( c12

+ h4+ s−o

32 )en N m3 /kg

Ou encore :

V a=8,89c+26,67h+3,33(s – o)Nm3/kg

Pour la combustion neutre des combustibles gazeux dont co ,h2, c h4 , o et∑ cnhm,

sont les teneurs en masse respectives de CO, de H 2, de CH 4, d’oxygène et de

∑CmH pdu combustible, le pouvoir comburivore des combustibles est donné par :

V a=1

0,21 ( co2 +h2

2+2c h4−o2+3,67∑ cmh p)en N m3/kg 

2.4.2.2. La combustion oxydante

Dans la réalité, la quantité d’air théoriquement indispensable à la combustion s’avère

insuffisante (une partie rentrante dans le foyer ne se mélange pas intimement au combustible)

et une partie de celui-ci (combustible) s’échappe sans prendre part à la réaction. Cet état de

chose peut amener à la formation du monoxyde de carbone et de particules solides. Pour

éviter cela, la combustion dans les chaudières se fait en admettant dans la chambre de

combustion un volume d’air VA supérieur au pouvoir comburivoreV a. On parle alors de

combustion oxydante ou de combustion pratique pour laquelle les produits de combustion

sont exempts d’imbrûlés. La composition des fumées est alors la suivante: N2, CO2, H 2O,

éventuellement SO2, SO3, O2.

On caractérise le plus souvent la combustion oxydante par le coefficient d’excès d’air.

2.4.2.2.1. Coefficient d’excès d’air et équation d’une combustion oxydante

L’excès d’air 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. Il est distribué dans la zone de combustion (air primaire) et

également en fin de combustion (air secondaire).

Il est caractérisé par le coefficient d’air théorique λ défini par :

λ= air utiliséair théorique

λ=VA−V a

V a

=VAV a

−1

Le rapport VAV a

est le coefficient d’excès d’air Eet caractérise aussi l’excès d’air.

E=λ−1

Dans les moteurs volumétriques, on emploie également la richesse ϕ, inverse du coefficient

d’air théorique.

On utilise également pour caractériser le mélange de réactifs le rapport air-combustible, le

plus souvent en termes massiques, et son inverse, le rapport combustible-air encore appelé

dosage désigné par le symbole μ.

L’équation de la combustion avec excès d’air s’écrit :

C xH y+ λ(x+ y4 )(O2+7921N2)→xCO2+

x2H 2O+( λ−1 )(x+ y4 )O2+ λ

7921 (x+ y4 )N 2

2.4.2.2.2. Pouvoir comburivore d’une réaction oxydante

Le pouvoir comburivore est défini par :

VA=(λ+1) .V a

Où V a est le pouvoir comburivore du type de combustible lorsqu’il subit une combustion

théorique.

2.4.3. Thermocinétique de la combustion

2.4.3.1. Enthalpie de formation

Les réactions de combustion le plus souvent, sont effectués, soit à volume constant, ou soit à

pression constante.

Dans une réaction de combustion à volume constant, le premier principe de la

thermodynamique s’écrit : Qv=∆U=U 2−U 1 et si la combustion se fait à pression constante,

le premier principe devient Q p=∆ H=H 2−H 1. Nous nous limiterons ici au cas de

combustion à pression constante.

Il suffit donc de connaître les énergies internes ou les enthalpies des réactifs et des produits,

car les échanges d'énergie mis en jeu ne dépendent pas des réactions intermédiaires, mais

seulement des états initial et final des espèces chimiques en réaction.

L’énergie interne, comme l’enthalpie n’est définie qu’à une constante additive près ; aussi

choisit-on des conditions arbitraires de température et de pression pour lesquelles on attribue

par convention une enthalpie nulle aux corps simples.

On choisit, le plus souvent, pour cet état de référence, les conditions standards (pression

atmosphérique normale) et une température de 25°C.

Considérons la réaction de combustion du carbone solide par l’oxygène dans un système

ouvert stationnaire.

L’équation chimique de la réaction étant :

C+O2→CO2

le premier principe de la thermodynamique s’écrit donc :

Q= ∑produits

nshs− ∑réactifs

ne he=nCO2hCO2

−nC hC−nO2hO2

Puisque les réactifs ont une enthalpie nulle, on obtient :

Q=hCO2

On appelle cette enthalpie du dioxyde de carbone considéré comme gaz parfait à l’état de

référence, enthalpie de formation et on la désigne par h f0(CO2 ¿ ou par ∆ f H

0(CO2).

Cette enthalpie peut-être déterminé par des mesures ou par des calculs faisant appel à la

thermodynamique statistique.

L’enthalpie du dioxyde de carbone et de toute autre molécule composée dans d’autres

conditions de pression et température peut alors se calculer par :

h ( p ,T )=hf0+(∆h)ref→ p ,T

Dans la plupart des cas, les réactifs et les produits ne se trouvent pas dans l’état de référence.

Pour les solides ou les liquides, la variation d’enthalpie entre l’état considéré et l’état de

référence s’obtient à partir de tables thermodynamiques.

Pour les gaz, avec l’hypothèse de gaz parfaits, on calculera les variations à l’aide des tables de

gaz parfaits.

Cette procédure peut s’appliquer à toute autre molécule composée. Des tables donnent les

enthalpies standards de formation de diverses substances.

A la température T=298K , on a :

Espèces chimiques O2( g) CO2(g ) CH 3COOH (l ) H 2O (l ) N2 (g) C(graphite) CH 4 ( g)

∆ f H0 (en kJ .mol−1) 0 -393,5 -487 -285 0 0 -74,8

2.4.3.2. Enthalpie de combustion

L’enthalpie de formation est particulièrement utile pour l’analyse des systèmes réactifs, car

les enthalpies des diverses substances peuvent s’additionner ou se soustraire. Ainsi, pour un

système ouvert en régime, le premier principe s’écrit :

Q+W= ∑produits

nshs− ∑réactifs

nehe

où les n sont les débits molaires des diverses substances. En divisant par l’unité molaire de

combustible, on obtient les grandeurs par kmol de combustible.

En développant l’expression du premier principe, on obtient donc :

Q+W= ∑produits

ns ¿¿

L’enthalpie de combustion est la différence d’enthalpie entre les produits et les réactifs pour

une combustion complète à température et pression données, référée à l’unité de masse ou à

l’unité molaire de combustible.

hRP=1ncom

¿

2.4.3.3. Température adiabatique des flammes

Soit une réaction de combustion se produisant adiabatiquement, sans travail ni variation

d’énergie cinétique et potentielle. La température des produits d’une telle réaction est appelée

température adiabatique de flamme ou de combustion. Il s’agit de la température maximum

qui peut être atteinte pour les réactifs donnés.

Pour un combustible donné et des pression et température des réactifs donnés, la température

adiabatique de flamme est maximale pour un mélange stœchiométrique. La température

adiabatique de flamme peut être contrôlée par l’excès d’air utilisé. On la calcule par

application du premier principe avec Q=W=0, soit :

∑produits

ns¿¿

2.4.4. Les produits de la combustion

La combustion conduit à la formation de résidus solides et des résidus gazeux ou fumées.

2.4.4.1. Les résidus solides

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 (0,01 à 10 microns) qui se trouvent en suspension

dans les fumées et qui constituent les suies.

2.4.4.2. Les gaz de combustion ou fumées

Les résidus gazeux ou fumées sont constitués :

principalement de dioxyde de carbone (CO2 ¿, de dioxyde de soufre (SO2¿, de la

vapeur d’eau (H 2O¿, et de l’azote (N2 ¿de l’air n’ayant pas participé à la combustion

et des imbrûlés solides ou gazeux (CmHp) ; et

éventuellement de l’oxygène (O2 ¿, le monoxyde de carbone (CO), les oxydes d’azote

(N Ox ¿et le SO3.

Le dioxyde de carbone (CO2 ¿

Formé de la combinaison des particules de carbone avec l’oxygène, le dioxyde de carbone ou

encore appelé gaz carbonique, est un gaz incolore et inodore avec un léger goût aigre à

température et pression ambiantes. Il est plus lourd que l’air et est incombustible. Le CO2

considérablement aux gaz à effet de serre.

Le monoxyde de carbone (CO)

C’est un gaz incolore et inodore, plus léger que l’air, combustibles et très toxique. La

production de monoxyde de carbone a lieu dans deux cas :

- la combustion se déroule avec un apport insuffisant d’oxygène (mauvais tirage d’un

appareil de chauffage, mauvaise ventilation d’un local, incendie dans un lieu clos …) ;

- le CO2 produit par la combustion se trouve au contact d’une masse de charbon très

chaude.

la vapeur d’eau (H 2O¿

L’hydrogène contenu dans le combustible va réagir avec l’oxygène pour former l’eau. Cette

dernière, avec l’eau du combustible et de l’air comburant, sort comme sous forme d’humidité

dans les gaz de combustion (aux températures élevées) ou sous forme de vapeur condensée

(aux températures faibles).

L’azote (N2 ¿

L’azote est le principal constituant de l’air. Ce gaz incolore, inodore et insipide est fourni à la

combustion comme une part de l’air mais n’intervient pas directement dans le processus de

combustion. Il agit comme un composé d’empierrement et un porteur de la chaleur perdue et

est encore rejeté dans l’atmosphère. Cependant, de faibles quantités d’azote rejetées de l’air

de combustion sont, ensemble avec l’azote rejeté du combustible, responsable de la formation

de dangereux oxydes d’azote.

Les oxydes d’azote (N Ox ¿

Dans les processus de combustion, l’azote du combustible, aux températures élevées, de

même que celui de l’air comburant réagit dans une certaine proportion avec l’oxygène de l’air

comburant et forme premièrement l’oxyde nitrique (NO). Cet oxyde va réagir avec l’oxygène

déjà en attente et/ou dans l’atmosphère pour former le dangereux dioxyde d’azote (N O2). Le

dioxyde d’azote contribue, en relation avec le rayonnement solaire, à la formation de l’ozone.

Le dioxyde de soufre (SO2¿

Le dioxyde de soufre est un gaz incolore, toxique et avec une odeur piquante. Il est formé lors

de la combustion du soufre qui est présent dans le combustible. Avec de l’eau ou de

condensat, l’acide sulfureux (H 2SO3) et l’acide sulfurique (H 2SO 4) sont formés, lesquels des

deux sont responsables des pluies acides.

Le SO3 résulte de l’oxydation du SO2 à haute température. En présence d’eau, il forme de

l’acide sulfurique (H 2SO 4) qui, s’il condense (point de rosée acide), corrode les corps

de chauffe et les conduits d’évacuation, fait s’agglomérer les particules solide et cause

des retombées sous forme de fumerons acides.

L’oxygène (O2 ¿

La part d’oxygène qui n’est pas consumé lors de la combustion se retrouve dans les gaz de

combustion et constitue une mesure de l’efficacité de la combustion. Il est utilisé pour la

détermination des paramètres de combustion et fait aussi acte de valeur de référence.

Les imbrûlés solides ou gazeux (CmHp)

Les émissions de ces imbrûlés proviennent du craquage du combustible en phase gazeuse

ou liquide. Ces émissions peuvent aussi provenir des procédés de combustion incomplète. Le

seuil légal est de 215mg/kWh.

2.4.4.3. Quantité de gaz de combustion produits et contrôle de la combustion

La quantité de gaz de combustion produits est caractérisée par le pouvoir fumigène du

combustible.

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 N m3de combustible gazeux.

On distingue :

le pouvoir fumigène sur fumées humides V f , lorsque l’eau contenue

dans les fumées est à l’état de vapeur. Il s’exprime en

N m3fumées humides/kgcomb ( sol .liq ); et

le pouvoir fumigène sur fumées sèches V f ', lorsque l’eau contenue dans

les fumées est à l’état condensé. Il s’exprime en

N m3fumées sèches/kgcomb(sol .liq).

Il se détermine en connaissant la composition chimique élémentaire du combustible et le type

de combustion.

En combustion neutre :

Lorsqu’ils subissent une combustion théorique, le pouvoir fumigène sur fumées humides des

combustibles solides et liquides est donnée par la relation :

V f=22,4×( c12+ h

2+ n

28+ s

32 )+3,76×22,4×( c12+ h

4− o

32+ s

32 )+22,4×w18

et leur pouvoir fumigène sur fumées sèches s’exprime par :

V f '=8,889×c+21,056×h+3,333×s+0,8×n−2,633×o

où c, h, s, n, w et o sont les teneurs en volume respectives de carbone, d’hydrogène, de

soufre, d’azote, en eau et en oxygène du combustible.

Quant aux combustibles gazeux, le pouvoir fumigène sur fumées humides est :

V f g=co+h2+∑ m×cmhp+∑ m

2cmhp+co2+n2+0,792V a

et leur pouvoir fumigène sur fumées sèches est donnée par :

V f ' g=co+∑ n×cnhm+c o2+n2+0,792V a

où co, h2, c o2 , n2 et cmhp sont les teneurs en volume respectivement de CO, H 2,

CO ,N2 , et CmH p du combustible ; V a est le pouvoir comburivore du combustible.

En combustion oxydante

En combustion oxydante, les pouvoirs fumigènes respectivement sur fumées humides est et

sur fumées sèches sont données par :

VF=( λ+1).V f

VF'=(λ+1) .V f '

où V f et V f 'sont les pouvoirs fumigènes respectivement sur fumées humides et sur fumées

sèches du type de combustible lorsqu’il subit une combustion théorique.

2.4.5. Analyse de la combustion

L’analyse de la combustion est une opération destinée à améliorer l’économie de combustible,

réduire les émissions indésirables et améliorer la sécurité de l’équipement de combustion. Elle

commence par la mesure des concentrations et de la température des gaz de combustion et

pourrait aussi inclure la mesure du tirage et du niveau de suie.

2.4.5.1. Concentrations des gaz de combustion

Les concentrations des gaz de combustion peuvent être déterminées soit analytiquement ou

soit à partir des appareils dénommés « analyseurs de fumée ».

2.4.5.1.1. Méthode analytique

La composition des gaz de combustion est souvent donnée pour un échantillon de fumées

sèches. Les paramètres recherchés sont les teneurs en volume de fumées respectives de

dioxyde de carbone, d’oxygène, de dioxyde de soufre et d’azote désignées respectivement par

γCO2, γO2

, γ SO2et γ N2

. Ces teneurs varient selon l’excès d’air et sont données par :

γCO2=

V CO2

(1+ λ ) .V f '

γO2=

V O2

(1+λ ) .V f '

γ SO2=

V SO2

(1+λ ) .V f '

γ N2=

V N 2

(1+ λ ) .V f '

A partir de ces teneurs, on construit des diagrammes (diagramme de Grébel, diagramme de

Bunte, diagramme de Bunte-Grébel et diagramme d’Ostwald) pour contrôler la combustion.

On remarque que si l’excès d’air est nul la teneur en CO2est maximale et l’on parle de « CO2

neutre» ou «CO2 max » qui dépend de la composition du combustible utilisé.

Le tableau suivant montre le CO2 neutre de quelques combustibles usuels.

En connaissant la teneur en CO2 des fumées sèches d’un combustible donné, on peut

calculer l’excès d’air d’une combustion oxydante en utilisant la formule suivante :

λ=V f '

V a

×CO2max−γCO2

γCO2

Le tableau suivant donne le rapport V f '

V a

de quelques combustibles usuels.

La teneur en O2 dans les fumées pourra varier de 0 à 21 % selon qu’il n’y a pas d’excès d’air

ou que celui-ci est infini (phase de pré-ventilation par exemple). En connaissant de même la

teneur en O2des fumées sèches d’un combustible donné, on peut calculer l’excès d’air d’une

combustion oxydante en utilisant la formule suivante :

λ=V f '

V a

×γCO2

21−γCO2

En connaissant enfin la teneur en O2et en CO2 des fumées sèches d’un combustible

quelconque, on peut calculer l’excès d’air d’une combustion oxydante en utilisant la

formule suivante :

λ=79×γO2

[0,21×(100−γCO2)]−γO 2

2.4.5.1.2. Les analyseurs de combustion

Il existe plusieurs méthodes d’analyse des gaz de combustion :

- les méthodes chimiques : ce sont des méthodes utilisées dans les premiers détecteurs

de gaz. Dans un tube détecteur, on fait circuler le gaz à analyser au contact d’un ou

plusieurs réactifs et on déduit la composition du gaz en fonction de la couleur qui s’est

développée (en général sur une même longueur d'onde). La concentration de gaz se lit

à l’interface entre la zone colorée et la zone non colorée. A l’entrée du tube, on trouve

en général un desséchant et un filtre à poussière ;

- les méthodes électrochimiques :