Cours de COMBUSTION Jean-Charles SAUTET – Université de Rouen 1

Cours deCOMBUSTION

Jean-Charles SAUTET – Université de Rouen 1

Jean-Charles SAUTET

Professeur à l’Université de Rouen – France

Chercheur au CORIA (Complexe de recherche Interprofessionel en Aérotermochimie)

Thématiques de recherches:- Mélange gazeux turbulent- Combustion non prémélangées: oxy-combsution, H2…- expériences et métrologies

Responsable du Master 2 Gestion des Systèmes Industriels « Maîtrise de l’Energie »

Cours de combustion février 2012Lundi 20/02: 10h30-12h30 14h-17h Mardi 21/02: 9h-12h Mercredi 22/02: 9h-12h 14h-17h Jeudi 23/02: 9h12h 13h30-15h

Conférence « métrologies optiques pour les écoulements non-réactifs » Mardi 21/02 : 14h-15h30

2

La COMBUSTION : Concrètement !

Brûleurs et foyers industriels

ALGLASS-FH

Chaudières vapeur à tubes de fumée.1 à 10,4 t/h

Four d’incinération à grille

3

Incendies et explosions

Toulouse, France, Sept 2001Usine AZF -> 30 mortsExplosion d’un stock de nitrate d’ammonium

4

Transport terrestre, aéronautique et spatial

M88-2 équipe l'avion de combat multirôle Rafale de DassaultAviation

Un avion équipé de CFM56 décolle toutes les 4 secondes dans le monde

5

Plan du cours:

- chap 1:Rappels de Thermochimie

- chap 2: Etude physico-chimique de la combustion

- chap 3: COMBUSTION LAMINAIREFlamme de diffusion

Flamme de prémélange

- chap 4: exemples de procédés industriels de combustion

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Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN

Partie I

Rappels de Thermochimie

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I. Chaleur et enthalpie de réaction Toute réaction chimique absorbe ou dégage de l’énergie, suivant le

schéma : réactifs produits + q

Si q < 0, la réaction est exothermique.

Si q > 0, la réaction est endothermique.

La plupart des réactions chimiques sont conduites à pression constante. Les produits de réaction sont généralement ramenés à pression atmosphérique

8


Dans ce cas, l’énergie dégagée par la réaction est :

q = H = Hprod – H réact

On admet que

- l’enthalpie initiale est la somme des enthalpies des différents réactifs - l’enthalpie finale est la somme des enthalpies des différents produits.

et

où i et j sont les coefficients stoechiométriques correspondant aux produits et aux réactifs.

i i prodiprod H H

jjréactjréact H H

9


A quoi correspondont l’enthalpie?

Calcul d’une chaleur de réaction par la méthode des enthalpies de lien

Exemple : P4 solide + 3 O2 gaz P4O6 gaz H ?

Etape 1 : P4 solide -------- P4 gaz on fournit Q1 au système

Etape 2 : P4 gaz ---------- 4 P rupture de 6 liaisons P-P, on fournit

Q2 au système

3 O2 ---------- 6 O rupture de 3 liaisons O=O, on fournit

Q3 au système

Etape 3 : 4 P + 6 O ------- P4O6 formation de 12 liaisons P-O,

le système perd Q4

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Lien H: enthalpie du lien (Kcal/mole)P-P 48P-O 80O=O 119

L’énergie fournie au système est comptée positivement pour le système.L’énergie récupérée du système est comptée négativement pour le système. Pour briser une liaison chimique en atomes on fournit de la chaleur. Cette énergie est appelée : enthalpie d’atomisation du lien Hat. Lorsqu’une liaison chimique se forme à partir des atomes on gagne de la chaleur. Cette énergie est appelée : enthalpie de formation du lien Hfor.

Hat > 0 Hfor < 0

11


Pour un lien donné Hat = - Hfor

Pour une réaction chimique : H = Hat + Hfor

Variation d’enthalpie de la réaction de combustion du phosphore : H = 6.(+48)+3.(+119)+12.(-80)= - 315 Kcal/mol

diagramme enthalpique :

12


Il existe 3 sortes de diagrammes enthalpiques :

13


II. La COMBUSTION

La combustion désigne une réaction chimique au cours de laquelle il y a

oxydation complète ou partielle d’un corps.

- Cette espèce chimique totalement ou partiellement oxydée est

appelée combustible ou carburant,

- L’espèce oxydante est le comburant.

La réaction d’oxydation est en général exothermique.

Le terme combustion s’applique aux cas où la réaction est suffisamment

rapide pour quelle se matérialise par des effets radiatifs visibles

(flammes, étincelles, etc.)

14


La réaction chimique de combustion est globalement une réaction d’oxydo-réduction

Oxydant : comburant (O2 pur, O2 dilué (air), ozone, nitrates..)

+ Réducteur : combustible (H2, hydrocarbures CnHm, CO…)

= Produits de la réaction

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La combustion peut être modélisée par une relation globale a Combustible + b Comburant c Produits le plus souvent : hydrocarbure air (21%02+79%N2) CO2, H20, CO, CnHm HO, NOx… a et b sont les coefficients stoechiométriques

La stœchiométrie permet de fixer une règle pour rendre compte de la conservation du nombre d'atomes au cours d'une réaction chimique

On appelle :- réaction globale la réaction complète et totale des réactifs il n’y a plus

de réactifs initiaux dans les produits

-Si il y a trop de comburant il reste du comburant dans les produits le milieu est pauvre

- Si il y a trop de combustible il reste du combustible dans les produits le milieu est riche

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En réalité, il y a un grand nombre de réactions élémentaires

aCombustible + b Comburant ↔ c Produits

a1 A1 + b1B1 ↔ c1C1

….. + …… ↔ …… ai Ai + biBi ↔ ciCi

….. + …… ↔ …… an An + bnBn ↔ cnCn

Chaque réaction élémentaires est exo ou endo-thermique mais la réaction globale reste exothermique. Les réactions élémentaires vont dans les deux sens. Certaines espèces intermédiaires restent dans les produits finaux.

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III. Enthalpies standards

Enthalpie standard (molaire) d’une substance A l’enthalpie de formation de (1 mole de) cette substance dans son état standard (à p = 105 Pa et à T = 25 °C), à partir des éléments pris dans leur état standard également.

L’exposant 0 indique l’état standard. Par convention, l’enthalpie standard des éléments simples est nulle (N2, H2, O2, Cl2…).

L’enthalpie standard d’une réaction:

j j

0react,fj

i i

0prod,fi

0r H H H

Les enthalpies standards de formation sont données par des tables.

Exemple : on trouve dans les tables que = - 71,81 kJ/mole.

Ceci représente l’enthalpie de la réaction exothermique : C(s) + 2H2(g) CH4(g)(méthane) à 298.15 K et sous p = 105

Pa

0

4CH,f H

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1- Loi de Hess

Supposons que la réaction A B peut se décomposer en plusieurs étapes (pas nécessairement réalisables) :

A

C D

B?

1H

2H3H

On a alors (H est une fonction d’état).

De façon générale, si une réaction peut se décomposer en n étapes :

321r HHHH

n

1iir H H

19


Exemple : considérons la transformation du graphite en diamant :

C(s; graphite) C(s; diamant) dans les conditions standards.

Ce processus, impossible à réaliser, peut se représenter par le cycle de Hess

C(s, graphite)+ O2(g)

C(s, diamant)+ O2(g)

CO2 (g)

?

)CO(H 20f ))d(C(H 0

comb

On connaît l’enthalpie de formation du CO2(g) à partir de ses éléments 0

2CO,f

01 HH = - 393,51 kJ/mole

La seconde réaction est la réaction opposée à la combustion du diamant,

= 395,40 kJ/mole ))d(C(HH 0comb

02

D’où = 1,89 kJ/mole 02

01

0r HHH

20


2- Loi de Kirchhoff

permet de calculer la chaleur de réaction dans le cas où la température n’est pas la température standard (25°C)

Capacité calorifique molaire à pression constante :

)T(C T

HA,p

p

A

Pour une réaction :

définition par )T(C

)T(C )T(C

T

H

T

H

T H

rp,

iréact,pj

jiprod,pi

i

pj

jréactj

pi

iprodi

p

r

21


On en déduit la loi de Kirchhoff :

ou sous forme intégrale :

)T(C T H

r,pp

r

T

Tr,p

0r

T

Tr,p0rr

0

0

dT).T(C H

dT).T(C )T(H )T(H

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Exemple : l’enthalpie standard de formation de H2O(g) à 298 K est

-241,82 kJ/mole H )g(O2

H0f

Cp(H2) = 28,84, Cp(O2) = 29,37 et Cp(H2O(g)) = 33,58 J.K-1mol-1.

En considérant que ces valeurs restent constantes entre T0 = 298 K et T1 = 373 K,

on peut calculer à 373 K : H ))g(O2H(f

p01))g(O2H(

0f

p010))g(O2H(f1))g(O2H(f

C TT H

CTT )(T H )(T H

molJK 94,9

C21

CCC

11

)2O(p)2H(p)O2H(pp

On a donc : 11))g)(O2H(f molJK 6,242 )K373( H kJ/mole

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3- Température adiabatique de fin de réaction L’enthalpie H est la quantité de chaleur nécessaire pour amener l’un quelconque des constituants du gaz de combustion de la température initiale à la température finale sous pression constante.

On considère une réaction à l’intérieur d’une bombe calorimétrique (adiabatique + volume constant).

Toute l’énergie dégagée par la réaction sert à chauffer les produits.

ii A ff A

L’enthalpie des réactifs à la température initiale T0

= l’enthalpie des produits à la température Tf de fin de réaction

)p,T(h)p,T(h fAjj0Aii

24

L’enthalpie des réactifs à la température T0 :

L’enthalpie des produits à la température finale Tf :

f

réf

T

Tjj

0AjjfAjj dTCph)p,T(h


Soit à résoudre :

=

réactifsi

T

Tii

0Aii

0

réf

dTCph

produitsj

T

Tjj

0Ajj

f

réf

dTCph

réactifsi

T

Tii

0Aii0Aii

0

réf

dTCph)p,T(h

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Remarques: - système itératif car Cp=Cp(T)

- En ne considérant qu’une capacité calorifique moyenne, on n’obtiendra qu’une estimation de la température de fin de

réaction complète.


Exemples:

- Combustion du méthane à l’airCH4 + 9,53 (0,21 O2+0,79 N2) CO2 + 2 H20 + 7,53 N2

T°finale = 2200 K

- Combustion du méthane à l’oxygène purCH4 + 2 O2 CO2 + 2 H20

T°finale = 3050 K

Effet du ballast thermique de l’azote

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4- Cinétique de formation des NOx

a- 3 mécanismes:

- Le NOx THERMIQUE

- Le NOx COMBUSTIBLE

- Le NOx PRECOCE

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Le NO Thermique (Thermal NO)

Formation initiée par la rupture de la triple liaison de l’azote moléculaire N2 (NN)

2 NO + H•

N2 + O• NO + N•

2 NO + O•

+ OH•

+ O2

Energie d’activation élevée

Mécanisme prépondérant à haute température (> 1600°C)

Pour limiter la formation du NO thermique:

diminuer la température du milieu

réduire la concentration en oxygène (O• et OH• ) limiter la présence d’azote moléculaire N2

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Le NO du combustible (fuel NO)

- présence d’azote dans la matrice du combustible

- quantité d’azote fonction de la nature du combustible (solide/gazeux/liquide)

- formation rapide de composé gazeux en phase gaz (HCN, NH3…)

- oxydation de ces composés conduisant à la formation de NO

Pour limiter la formation du NO combustible:

choix du combustible reformulation / dénitrification du combustible

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Le NO précoce (prompt NO)

- attaque de l’azote moléculaire de l’air par des fragments hydrocarbonés CHi

N2 + CHi• N• + HCN NO

combustible T°

- mécanisme d’autant plus important que la richesse du combustible est élevée

- efficace même à basse température

- faible contribution dans les brûleurs et installations industrielles (T°)

Pour limiter la formation du prompt NO :

limiter la quantité de combustible (stoechiométrie – proche de 1)

choix du combustible (précurseurs de CHi )

30


b- technologies d’abattement des NOx

Limiter la formation des NOx à la source

amélioration du processus de combustion

Méthodes primaires:

limiter la température dans l’enceinte de combustion

contrôler le rapport combustible / comburant

adapter le mode de combustion (homogénéité, géométries…)

Moyens disponibles:

étagement des injections d’air et de combustible

recirculation des fumées

optimisation de la géométrie injecteur / brûleur

optimisation des paramètres de fonctionnement

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Réduire les émissions résiduelles de NOx

Traitement des fumées afin de limiter la teneur en NOx

conversion chimique, catalytique ou non, des polluants issus du foyer

Méthodes secondaires:

réduire les NOx en azote moléculaire (N2)

choix d’un procédé adapté au process industriel

Moyens disponibles:

traitement en phase gaz: recombustion, réduction sélective non catalytique

traitement catalytique: réduction sélective catalytique

couplage de méthodes

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Partie II

Etude physico-chimique de la combustion

Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN33


I- Conditions de la combustion Pour amorcer et propager la réaction de combustion, il faut : - que le combustible et le comburant soient intimement mélangés ;

- que le combustible et le comburant soient en proportions telles que le mélange soit inflammable;

- qu’un point de ce mélange soit porté à une température supérieure à la température d’inflammation.

Pour permettre la poursuite de la combustion, il faut en outre:

- évacuer les produits de combustion au fur et à mesure de leur formation ;

- assurer l’alimentation en combustible et en comburant de façon à satisfaire les 3 conditions précédentes

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II- Etude thermique de la combustion : pouvoir calorifique

a- Pouvoir calorifique supérieur (PCS)

Le PCS, à volume constant, d’un combustible représente la quantité de chaleur dégagée par la combustion de l’unité de masse du combustible :

- dans de l’oxygène saturé de vapeur d’eau, - les produits réagissant et les produits formés étant à la même

température,- l’eau formée étant liquide

Pour la mesure du PCS, on utilise une bombe calorimétrique. La définition du pouvoir calorifique à volume constant ne correspond pas aux combustions industrielles qui ont lieu à pression constante, dans une enceinte ouverte, mais la différence est faible et généralement négligée.

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b- Pouvoir calorifique inférieur (PCI)

La plupart du temps, les fumées sortent des surfaces d’échange à une température supérieure au point de rosée. L’eau est donc émise sous forme de vapeur

Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) se calcule en déduisant du PCS la chaleur de condensation (2511 kJ/kg) de l’eau formée au cours de la combustion et éventuellement de l’eau contenue dans le combustible. PCI = PCS - Chaleur latente d'évaporation

c- Pouvoir calorifique des mélanges

i

iim PC x PC

avec : PCm pouvoir calorifique du mélange,

PCi pouvoir calorifique des constituants

xi fraction massique de chaque constituant.

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Exemples :

Mazout : Par kg de mazout se forme environ 1,2 kg d'eau. L'énergie nécessaire pour transformer cette eau en vapeur s'élève à

2 511 x 1,2 = 3 022 kJ/kg. Le mazout possède un PCI d'environ 43000 kJ/kg.

Environ 6% de l'énergie disponible est donc perdue

Gaz naturel : Le gaz naturel contient plus d'hydrogène,

la déperdition d'énergie est plus importante lors de la combustion en raison de la formation de vapeur d'eau évacuée par la cheminée.

Environ 10% de l'énergie disponible est perdue dans ce cas

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d- Unités et exemples de valeurs

Le pouvoir calorifique s’exprime en :

– kcal/kg– millithermie/kg (=kcal/kg)– thermie/tonne (=kcal/kg)– kJ/kg (=0,239 kcal/kg)– kWh/kg (=861kcal/kg)

ou en KJ/N.m3 pour les gaz. Rq:1cal=4,18 J1 kWh=3600 kJ = 861 kcal

J/g Kcal/kg kWh/tonne

J/g 1 0,24 0,278

Kcal/kg 4,18 1 1,161

kWh/tonne 3,6 0,86 1

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Substance PCI PCS

Hydrogène (H2) 2570 3050

Monoxyde de carbone (C0)

3025 3025

Hydrogène sulfuré

(H2S)5760 6200

Méthane (CH4) 8575 9535

Ethane (C2H6) 15400 16865

Propane (C3H8) 22380 24360

Butane (C4H10) 29585 32075

Ethylène (C2H4) 14210 15155

Propylène (C3H6) 20960 22400

Acétylène (C2H2) 13505 13975


Pouvoir calorifique des gaz (millithermie/m3 ou kcal/m3)

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Pouvoir calorifique des liquides (thermies/tonne ou kcal/kg)

Substance PCI PCS

Hexane (C6H14) 10780 11630

Octane (C8H18) 10705 11535

Benzène (C6H6) 9700 10105

Styrène (C8H8) 9780 10190

Rq: PCI massique Pour H2: 2570 kcal/m3 (=0,09 kg/m3) PCI=27 777 kcal/kg Pour CH4: 8575 kcal/m3 (=0,67 kg/m3) PCI=12 800 kcal/kg

Soit un facteur 2,17 sur l’énergie dégagée par l’unité de masse

40

Essence Feuillus PCI en kWh/tonne

Bois sec (0% d’humidité)

Chêne 5 040

Hêtre 5 140

Châtaignier 5 190

Charme 4 970

Frêne 5 090

Bouleau 5 020

Acacia 5 270

Aulne 4 910

Peuplier 4 890

Orme 5 170

Divers

Bois (30% d’humidité) : 2800 thermies/tonne


Décroissance linéaire du PCI en fonction de l’humidité

Dans les plages d’humidité fréquemment utilisées dans le bois énergie (10% à 65% d’humidité), le PCI varie de 1 370 à 4 610 kWh/tonne soit un facteur 3.4

4434 thermies/tonne

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III- Grandeurs caractéristiques de la combustion stoechiométrique

a- Pouvoir comburivore (ou air stœchiométrique) : Va

quantité d’air nécessaire pour assurer la combustion complète de l’unité de volume de gaz combustible.

m3 d’air / m3 de gaz

b- Pouvoir fumigène

volume, ramené aux conditions normales, de produits (fumées) de la combustion de 1 m3 de gaz associé à l’air stoechiométrique.

m3 de produits / m3 de gaz

pouvoir fumigène humide V’f0 : l’eau produite par la combustion est

à l’état de vapeur (c’est le volume qui est réellement évacué)

pouvoir fumigène sec Vf0 : l’eau produite par la combustion est supposée

condensée et on ne tient compte que du volume des corps gazeux

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Exemple : pour la combustion du méthane dans l’air CH4 + 2 *(O2 + 3.76 N2) CO2 + 2 H20 + 2*3,76 N2

Soit une mole de carburant pour 2*4,76 = 9,52 moles d’air. -La fraction molaire (ou volumique) de méthane dans le mélange stoechiométrique

1/(1+9,52)=0,095 = 9,5% - En masse : 12+4=16 g de carburant pour 2*(32+3,76*28) = 274,56 g d’air. La fraction massique de méthane dans le mélange stoechiométrique est

16/(16+274,56) = 0,055 = 5,5%

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Pouvoir comburivore : Va = 9,52 Nm3 d’air / Nm3 de gaz

ou bien en Nm3 d’air / kg de gaz

méthane du molaire masse*méthane de mole de nombremolaire volume*air'd mole de nombre

Va


CH4 + 2 *(O2 + 3.76 N2) CO2 + 2 H20 + 2*3,76 N2

kg/Nm 33,13 016,0*10224,0*52,9

P 3c

Pouvoir fumigène humide: Vfo’=(1+2+7,52)/1=10,52 Nm3 de fumées / Nm3 de gaz

méthane du molaire masse*méthane de mole de nombremolaire volume*produits de mole de nombre

V 'fo

ou bien en Nm3 de fumées / kg de gaz

kg/Nm 73,14 016,0*1

0224,0*52,10V 3'

fo

Pouvoir fumigène sec: Vfo’= =(1+7,52)/1=8,52 Nm3 de fumées / Nm3 de gaz

44

c- autres grandeurs


Chaque communauté (motoriste, chaudièristes…) a ses habitudes.

- la fraction de mélange : rapport massique du carburant au mélange

- le rapport carburant / air (Fuel Air Ratio)

- la richesse : rapport du Fuel Air Ratio à sa valeur stoechiométrique

StoOxfuel

Oxfuel

ou

StoOx

fuel

Ox

fuel

Y

Y

Y

Y

si < 1 pauvre (en excès d’air)si > 1 riche (excès de carburant)

45


- le facteur d’air (rapport du débit d’air au débit stœchiométrique obtenu par le pouvoir comburivore)

n<1 en milieu réducteur et n>1 en milieu oxydant

1

n

- l’excès d’air : le facteur d’air moins un (exprimé en %)

1001

(%)e

- le facteur de défaut d’air

100n1 1001

(%)d

46

Caractéristiques des fumées


- gaz carbonique total VCO2 (ou « carbone total »)

volume total de CO2 dû à la combustion complète de 1 Nm3 de combustible

gazeux (ou de 1 kg pour les solides). en m3 CO2 / m

3 gaz

- Vapeur d’eau totaleVH20 (ou « hydrogène total »)

volume total de H20 dû à la combustion complète de 1 Nm3 de combustible

gazeux (ou de 1 kg pour les solides). en m3 de vapeur d’eau / m3 gaz

- Teneur maximale en CO2 des produits de combustion secs « CO2 max »

rapport du CO2 total au pouvoir fumigène sec

0f

2CO02CO V

V

Gaz naturel Proche de 12%

Butane et propane

commercial Environ 14%

Fiouls Entre 15 et 16%

02CO

47


Exemples : combustion à l’air de l’hydrogène

H2 + 2,38 ( 0,21 O2 + 0,79 N2) H20 + 1,88 N2

Air théorique : 2,38

Humide (V’fo) (1+1,88)/1=2,88

Pouvoir fumigènesec (Vfo) (1,88)/1=1,88

CO2 total: 0/1 = 0

H20 total: 1/1 = 1

Composition volumétrique des produits de combustion humides (en % V’fo)

CO2 0*100/2,88 = 0%

H20 1*100/2,88 = 34,7%

N2 1,88*100/2,88 = 65,3%

48


combustion à l’air du gaz de Lacq (97,3%CH4, 2,1% C2H6, 0,2% C3H8, 0,1% C4H10, 0,3% N2)

(0,973 CH4 + 0,021 C2H6 + 0,002 C3H8 + 0,001 C4H10 + 0,003 N2)

+ 9,7 (0,21 O2 + 0,79 N2)

1,025 CO2 + 2,022 H20 + 7,66 N2

Air théorique : 9,7

Humide (V’fo) (1,025+2,022+7,66)/1=10,72

Pouvoir fumigène Sec (Vfo) (1,025+7,66)/1=8,7

CO2 total1,025/1 = 1,025

H20 total 2,022/1 = 2,022

Composition volumétrique des produits humides (en % V’fo)

CO2 1,025*100/10,72 = 9,6%

H20 2,022*100/10,72 = 18,9%

N2 7,66*100/10,72 = 71,5%

49

Feuille de calcul de combustion d’un combustible gazeux en fonction de sa composition

Compositon du combustible gazeux

Teneur

(m3/m3)

A B A * B C A * C D A * D E A * E F A * F G A * G

Hydrogène H2 0 2,36 0 1 0,0695 3,52 2,96

Oxyde de carbone CO 0 2,38 1 0 0,968 3,51 3,51

Méthane CH4 0 9,54 1 2 0,555 11,08 9,97

Ethylène C2H4 0 14,4 2 2 0,976 17,65 16,53

Ethane C2H6 0 16,84 2 3 1,048 19,58 17,88

propylène C3H6 0 21,84 3 3 1,48 26,06 24,34

Propane C3H8 0 24,37 3 4 1,557 28,22 25,94

Butylène C4H8 0 29,64 4 4 2,007 34,99 32,68

Butane C4H10 0 32,41 4 5 2,096 37,41 34,49

Pentane C5H12 0 40,87 5 6 2,671 47,11 43,52

Anhydride carbonique CO2 0 0 1 0 1,529 0 0

Azote N2 0 0 0 0 0,968 0 0

Oxygène O2 0 -4,77 0 0 1,105 0 0

0 0 0 0 0 0 0

0,79 Va 0 Teneur maximale + azote du gaz 0 " en CO2 sur sec

+ VCO2 0 "

SEC = Vfo 0 " CO2=VCO2/Vfo =

+ VH20 0 "

Gaz carbonique

comburivore total

Nature du gaz

Va

(m3 air/m3 gaz)

Pouvoir pouvoir calorifique

Supérieur

Vapeur d'eau

VH20

densité

totale par rapport à l'air

m3/m3gaz

Pouvoir fumigène

PCS kWh/m3(n)

Inférieur

PCI kWh/m3(n)(m3 H20/m3 gaz) d

VCO2

(m3 CO2/m3 gaz)

50

Feuille de calcul de combustion du gaz de Lacq

Compositon du combustible gazeux

Teneur

(m3/m3)

A B A * B C A * C D A * D E A * E F A * F G A * G

Hydrogène H2 0 2,36 - 0 - 1 - 0,0695 - 3,52 - 2,96 -

Oxyde de carboneCO 0 2,38 - 1 - 0 - 0,968 - 3,51 - 3,51 -

Méthane CH4 0,973 9,54 9,28 1 0,973 2 1,946 0,555 0,540 11,08 10,78 9,97 9,70

Ethylène C2H4 0 14,4 - 2 - 2 - 0,976 - 17,65 - 16,53 -

Ethane C2H6 0,021 16,84 0,35 2 0,042 3 0,063 1,048 0,022 19,58 0,41 17,88 0,38

propylène C3H6 0 21,84 - 3 - 3 - 1,48 - 26,06 - 24,34 -

Propane C3H8 0,002 24,37 0,05 3 0,006 4 0,008 1,557 0,003 28,22 0,06 25,94 0,05

Butylène C4H8 0 29,64 - 4 - 4 - 2,007 - 34,99 - 32,68 -

Butane C4H10 0,001 32,41 0,03 4 0,004 5 0,005 2,096 0,002 37,41 0,04 34,49 0,03

Pentane C5H12 0 40,87 - 5 - 6 - 2,671 - 47,11 - 43,52 -

Anhydride carboniqueCO2 0 0 - 1 - 0 - 1,529 - 0 - 0 -

Azote N2 0,003 0 - 0 - 0 - 0,968 0,003 0 - 0 -

Oxygène O2 0 -4,77 0,00 0 - 0 - 1,105 - 0 - 0 -

1,000 9,72 1,025 2,022 0,570 11,29 10,16

0,79 Va 7,68 m3/m3gaz Teneur maximale

+ azote du gaz 0,003 " en CO2 sur sec

+ VCO2 1,025 "

SEC = Vfo 8,705 " CO2=VCO2/Vfo = 0,118

Pouvoir fumigène + VH20 2,02 "

HUMIDE = V'fo 10,73 "

Nature du gaz

Va

(m3 air/m3 gaz)

Pouvoir

VCO2

(m3 CO2/m3 gaz)

Gaz carbonique

comburivore total

Vapeur d'eau

VH20

(m3 H20/m3 gaz)

densité

d

totale par rapport à l'air

PCS kWh/m3(n)

Inférieur

PCI kWh/m3(n)

pouvoir calorifique

Supérieur

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IV- Les différents types de combustion


On peut distinguer 4 types de combustion :

- la combustion stœchiométrique- La combustion complète en excès d’air- La combustion complète en défaut d’air- La combustion incomplète

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a- combustion stœchiométrique

C’est la combustion donnée par 1 m3 (n) de gaz associé à un volume d’air égal à l’air stœchiométrique

GAZ1 m3(n)

AIR

(N2 + O2)

Va m3(n)

FUMEES HUMIDES

N2 + CO2 + H20

V’fo m3(n)

Taux d’aération n=1

FUMEES SECHES

N2 + CO2

Vfo m3(n)

EAU

Va = Air théorique

ou POUVOIR COMBURIVORE

m3(n) d’air par m3(n) de gaz

V’fo : pouvoir fumigène humideVfo : pouvoir fumigène sec

m3(n) de fumées par m3(n) de gaz

COMBUSTION STOECHIOMETRIQUECombustion complète sans excès d’air ni défaut d’air

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- Tout le carbone et tout l’hydrogène sont oxydés et tout l’oxygène de l’air est utilisé.

- Les produits de combustion ne contiennent que : O2, H20 et N2

- Le volume des produits de combustion est minimal

(= au pouvoir fumigène)

Ce type de combustion est difficile à réaliser dans la pratique:

nécessite de fournir au brûleur l’air et le gaz très rigoureusement

dans les proportions stœchiométriques.

combustion stœchiométrique:

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b. combustion complète en excès d’air

C’est la combustion donnée par 1 m3 (n) de gaz associé à un volume d’air supérieur à l’air stœchiométrique

GAZ1 m3(n)

AIR

UTILISE

Va m3(n)V’fo m3(n)

(n-1).Va

EAU

Taux d’aération n > 1Volume d’air : n.Va

Excès d’air : e(%) = 100 (n-1)

COMBUSTION COMPLETE EN EXCES D’AIR

AIR EN EXCES(n-1) Va

FUMEES HUMIDES

Vfo m3(n)

FUMEES SECHES

(n-1).Va

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Pour chaque m3 de gaz : - une partie de l’air associé, égale à l’air stœchiométrique, sert à assurer l’oxydation complète du carbone et de l’hydrogène - le reste, l’air en excès, ne participe pas à la combustion et se retrouve, intégralement, dans les produits de combustion qui comprennent : CO2, H20, N2 et O2

Ce type de combustion est le plus courant.

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c- combustion complète en défaut d’air (utilisation totale de l’oxygène)

C’est la combustion donnée par 1 m3 (n) de gaz associé à un volume d’air inférieur à l’air stœchiométrique

GAZ1 m3(n)

défaut d’air (1-n)Va N2 + CO2 + H20

CO + H2 imbrûlés

EAU

Taux d’aération n < 1Volume d’air : n.Va

Défaut d’air : d(%) = 100 (1-n)

COMBUSTION COMPLETE EN DEFAUT D’AIR

FUMEES HUMIDES

N2 + CO2

FUMEES SECHES

AIR

n.Va m3(n) CO + H2 imbrûlés

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On trouve dans les produits de combustion : - des imbrûlés : CO, H2

et, pour des défauts d’air importants: méthane et carbone suie - N2, CO2 et H20

Ce type de combustion est parfois recherché dans certaines applications industrielles en raison de l’action de tels produits de combustion sur la charge de certains fours. Il est très difficile à réaliser dans la pratique.

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d- combustion incomplète

1 m3(n) de gaz est associé à un volume d’air quelconque et, en raison de conditions défavorables, une partie du gaz ne participe pas à la combustion.

Cette combustion se caractérise par la présence simultanée d’oxygène et d’imbrûlés dans les produits de combustion.

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GAZ1 m3(n)

N2 + CO2 + H20

ta.Va m3(n)

EAU

Taux de combustion : tc

Taux d’air inutilisé : ta

Taux d’aération : n = tc + ta

COMBUSTION INCOMPLETE(équilibres chimiques non réalisés)

FUMEES HUMIDES

N2 + CO2

FUMEES SECHES

AIR CO + H2

ta.Va m3(n)

tc m3(n) brûlé

tc.Va m3(n) d’air utilisé

ta.Va m3(n) d’air inutilisé

n.Va m3(n)

CO + H2

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Ce type de combustion se rencontre lorsque le gaz et l’air disponibles ne se combinent pas totalement dans la zone de combustion. Ce peut être le résultat :

- de la détérioration d’un brûleur, qui assure un mélange imparfait- d’un refroidissement brutal provoquant l’arrêt de la combustion.

On peut également rencontrer une telle combustion sur des fours industriels lorsqu’une partie de l’air est aspirée par des ouvertures du fait de la dépression régnant dans l’enceinte. Cette combustion n’est jamais souhaitable et correspond à des équipements mal réglés ou détériorés

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V- Grandeurs caractéristiques de la combustion

1- Rapport air/gaz et taux d’aération

Rapport air total / gaz (symbole R)

gazeux ecombustibl de volumecombustion de air'd volume

En combustion théorique volume air = Va

En combustion en excès d’air volume air > Va

En combustion en défaut d’air volume air < Va

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En combustion théorique n=1 En combustion en excès d’air n>1

d’où un excès d’air e (%)=100(n-1) En combustion en défaut d’air n<1

d’où un défaut d’air d (%)=100(1-n)


Taux d’aération ou facteur d’air (symbole n)

aV

Rn

riquetoechiométs air'd m

réel air'd m

gaz de m/riquetoechiométs air'd m

gaz de m/réel air'd m3

3

33

33

Taux de combustion et taux d’air inutilisé

En combustion incomplète, le taux d’aération n est la somme du taux de combustion tc et du taux d’air inutilisé ta :

n=tc+ta

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Rq :

- La combustion peut être incomplète, même si le gaz et l’air sont présents en quantité stoechiométrique,

par exemple si la présence d’une paroi froide inhibe la combustion.

Si tc=0,9 et ta=0,1, on a n=1, mais 10% du combustible ne se sont pas

oxydés et 10% de l’air sont restés inutilisés.

En combustion complète en défaut d’air (utilisation totale de l’oxygène), ta=0 et tc=n

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2- Bilan en air de combustion d’un appareil

GAZ

AIRPRIMAIRE

AIRSECONDAIRE

+ = AIR TOTAL

Produits de combustion

GAZ

AIR TOTAL

Produits de combustion

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Dans un grand nombre d’appareils,

le brûleur n’apporte pas la totalité de l’air de combustion, mais seulement une partie : l’ AIR PRIMAIRE.

Dans ce cas, le foyer, généralement en dépression, permet l’admission naturelle d’AIR SECONDAIRE

AIR PRIMAIRE + AIR SECONDAIRE =AIR TOTAL

On a :

- en débits d’air : qair primaire + qair secondaire = qair total (m3/h)

- en rapport air/gaz : Rprimaire + Rsecondaire = Rtotal (m3 d’air/m3 gaz)

- en taux d’aération : nprimaire + nsecondaire = ntotal (sans unité)

Rq : il est nécessaire de contrôler la quantité d’air secondaire admise pour éviter le refroidissement de l’appareil par de l’air en grand excès, source de surconsommation.Pour les appareils industriels à haute température, il faut même proscrire toute admission d’air secondaire.

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VI- Volume des produits de combustion à évacuer

1- volume normal des produits de combustion pour les différents types de combustion

V’f : volume des produits de combustion humides en m3(n)

(c’est à dire à 0°C puisque la pression demeure, sauf exception,

toujours voisine de la pression atmosphérique)

- en combustion stœchiométriqueCe volume est égal au pouvoir fumigène humide V’f = V’fo

- en combustion complète en excès d’airCe volume est égal au pouvoir fumigène humide augmenté de l’excès d’air

V’f = V’fo + (n-1) Va

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n n’étant pas connu à priori, dans la pratique on calcule le volume d’air en excès à partir de la teneur en O2 mesurée par analyse :

O2 sur produits secs et ’O2 sur produits de combustion humides

excès d’air = 2O

2Ofo

2O

2Ofoa

'21,0 'V

21,0 VV )1n(

- en combustion complète en défaut d’air et en combustion incomplète

Les produits de combustion secs comportent CO2, CO et H2 ; dans la

combustion incomplète, ils contiennent en plus O2.

Le volume des produits de combustion peut se calculer en fonction des caractéristiques du gaz et des résultats de l’analyse des produits de combustion

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2- volume réel à évacuer à une température quelconque Les produits de combustion ne sortent jamais à 0°C.

Dans la pratique il y a lieu de considérer leur volume à la température à laquelle ils sortent de l’appareil.

En considérant les produits de combustion comme des gaz parfaits, on a

Vt1 volume (ou débit) à T1 K ;

Vt0 volume (ou débit) à 0°C

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T VV 1

0t1t

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Documents

Cours de COMBUSTION Jean-Charles SAUTET – Université de Rouen 1