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 :