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Combustion (2ème partie) Combustions réelles, combustibles complexes.

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1 Combustion (2ème partie) Combustions réelles, combustibles complexes

2 Sommaire: I Calcul pratique et analyse de combustion I-1Combustibles I-2 Composition des fumées 1°) Combustion neutre 2°) Combustion oxydante 3°) Combustion réductrice et incomplète I-3 Calcul précis de pertes thermiques aux fumées 1°) Chaleur sensible 2°) Chaleur latente I-4 Pollution et analyseurs de fumées II Phénoménologie de la combustion II-1 Mécanismes de la combustion II-2 Fours et chaudière II-3 Moteurs alternatifs II-4 Turbines à gaz

3 I Calcul pratique et analyse I-1 Les combustibles I-1-1 Combustibles solides : (Charbons, bois, déchets) - Matières organiques (C,H,O) - Peu de soufre en général (<1%) - Minéraux (cendres) et eau

4 a) Charbons : origine végétale millions- 65 millions HouillesLignites CHO2Pp De 60 à 94%De 6 à 3,5%De 35 à 1,5%20 à 36 MJ/kg années b) Bois et déchets végétaux : CH2O2N2IpVaVFVF CO2 50%5,8%43,2%1%18MJ /kg4,55,219 Caractéristiques sur sec et sans cendres Tourbes

5 Déchets industriels: PCI: 15 à 40 MJ/kg (papiers, cartons, plastiques, huiles et solvants) Autres déchets : Recyclage: la meilleure solution Incinération : économiquement avantageuse. Déchets ménagers: PCI très faible : 5 à 8MJ/kg: humidité très forte (30 à 40% nécessitent souvent lutilisation dun combustible dappoint) Constitution toujours très variable:

6 I-1-2 Combustibles liquides et gazeux : Le pétrole: Beaucoup plus ancien que les charbons (milliard dannées). Origine: décomposition des microorganismes des mers primitives. Forte teneur en soufre 1°)Hydrocarbures pétroliers a) Combustibles de distillation : GPL(bu-pro)essencekérosèneGazoil et FODFuel lourd BTS C%82,585,585,78687 H%17,514,514,313,311,35 S%00<0,30,31 N%0000,20,25 O%0000,20,4 Ma15,415 14,314 d0,550,750,80,8440,99 Ip46MJ/kg44MJ/kg43,5MJ/kg42MJ/kg

7 b) Gaz naturels Composition très variable fonction de la provenance CH4 %C2H6 %C3H8 %C4H10 %N2 906,520,51 Pp MJ/Nm 3 Ip MJ/Nm 3 dVaVCO2VH2OVFS 40360,69,7128,7

8 2°) Liquides dorigine végétale a) alcools b) Huiles végétales, diester C%H%O%Ip MJ /kgMa kg/kg 20°C. cSt Craquage Colza77,911,714,737,412, °C Diester37,77350°C Bons pour MAC: RON élevé mais Ma faible=>MTBE,ETBE Pour MD mais Pb viscosité, pt découlement, craquage…=> diester C%H%O%Ip MJ /kgMa kg/kgd Méthanol37,512,550206,450,796 MTBE35,211,70,746 Éthanol ,930,794 ETBE35,912,10,75

9 I-2 Composition des fumées Solides, Liquides: Nm 3 /kg de combustible Combustibles gazeux: Nm 3 /Nm 3 de comb. Combustion neutre: Pouvoir comburivore :Va Volume dair nécessaire Pouvoir fumigène humide:V FH Volume de fumées Pouvoir fumigène sec :V FS Volume de fumées sans la vapeur deau Carbone total : V C02 Volume de gaz carbonique Hydrogène total : V H20 Volume deau des fumées Oxygène et azote libreV O2, V N2 contenus dans le combustible

10 Combustion réelle: Va,V FH … Teneur en CO2 des fumées: X CO2 = V CO2 /V FH Teneur en CO2 des fumées sèches; CO2 = V CO2 /V FS - Mauvaise combustion - Dosage non stoechiométrique pour: Rendement maxi Puissance et stabilité Combustion réductrice Donnée par les analyseurs de fumées

11 1°) Combustion neutre Carburant +ComburantFumées C,H,O,S,N, Humidité O2,N2 CO2,SO2,N2, H2O

12 Pouvoir comburivore: Pouvoir fumigène sec: Pouvoir fumigène humide: Teneur en oxygène du comburant: 21% pour l air

13 Exemples de calcul : Combustible solide ou liquide: Humidité =1,2 % ; Cendres=8% ; C=78% ; H=5% ; O=6,4% ; N=1,4%

14 Combustible gazeux: CH4=81,3% ; C2H6=2,9% ; C3H8=0,4% ; C4H10=0,2% ; N2=14,3% ; CO2= 0,9%

15 2°) Combustion oxydante Valorisation énergétique=>excès d air a) Calcul direct

16 3°) Combustion réductrice ou incomplète Combustion réductrice loin de la stœchiométrie: – Cas peu fréquent ou dysfonctionnement – Diagramme déquilibre

17 Cas général de combustion quelconque: le diagramme dOstwald

18 4°) Utilisation pratique des analyses de fumées Analyseurs => O2, CO2, CO … - CO permet d estimer les pertes par imbrûlés (faibles…) - Utiliser O2, pour le calcul de l excès d air sauf si on a que CO2 - Les autres mesures (NOx, SO2…) : pollution limites légales

19 I-3 Calcul des pertes aux fumées 1°) Chaleur sensible a) Calcul intégral: Calcul de Cp(T) du mélange b) Détermination graphique de Cp moyen Téléchargement sur le site de l IUT des Cp

20 c) Formules semi empiriques Siegert: %pertes sensibles sur PCM% CO2 Ks=0,47 pour le Gaz naturel, 0,6 pour les hydrocarbures moyens, 0,62 pour le fuel lourd et 0,71 pour le charbon.

21 2°) Pertes par chaleur latente 2500kJ/kg

22 3°) Pertes par imbrûlés En Nm 3 /s si combust. gaz et kg/s si liq. ou sol. Et: V FS =V FS +eV a Les analyseurs donnent CO =>on déduit H 2 par: Pour les moteurs (équilibre supposé à 1850°C) : CO / H 2 =8x/y Pour les fours ou chaudières (1450°C) : CO / H 2 =5x/y

23 I-4 Pollution et analyseurs 1°) Principales sources de pollution Provient du carburant, Caractère inéluctable: - Fuel => SO2 - Charbons => Cendres volatiles - Incinération déchets => Chlore Conception ou réglage : on peut améliorer: CO, NO, suies…

24 2°) Limitations règlementaires et réduction des polluants - Les cendres => Combustion charbon Filtres électrostatiques : rendement 99% Réglementation: 129mg/kWh PCI maxi - Les imbrûlés solides (suies) => problème de mélange FO et FOD : craquage du combustible seuil légal 215mg/kWh -Oxydes de soufre: SO2>1ppm irritant, normes France <0,1ppm au sol Sortie de cheminée: Fuel 2000ppm, Charbon 500ppm Acide sulfurique H2SO4 =>corrosion, fumerons acides Cheminée haute + vitesse Limiter la teneur des combustibles en soufre : FO BTS<2% et TBTS<1%, FOD ou gaz oil <0,3%)

25 - Oxydes d azote NO=>NO2 (gaz roux) 13ppm irritant=>NO4 œdème au poumon >40ppm Asthme, pluies acides, déforestation et smog Dû aux hautes températures et à l excès d air la recherche de rendement. l OMS recommande <0,1ppm pendant 1h. - Oxydes de carbone: combustion incomplète Très toxique >0,1% accidents mortels (300 à 400 décès/an en France) Mauvaise combustion d appareils de chauffage Normes parkings souterrains < 45ppm max.

26 Imbrûlés solides: Suies diesels 0,08g/km =>Filtres à particules Oxydes de soufre: désulfuration mais Pb: catalyseurs Oxydes d azote: mélanges pauvres, HT°C, 0,08g/km (essence), 0,25g/km (diesels)=> catalyse Oxydes de carbone: - CO2 inévitable et proportionnel à la conso - CO 0,5g/km (Diesels), 1g/km (essence)=>catalyse Législation automobile:

27 3°) Analyseurs de combustion Fumosimètre de Bacharach: Norme: Indice < 4 Indice > 6 : Fumées visibles -Particules Mesure en continu: opacimètre optique - Émissions gazeuses - La mesure volumétrique par absorption du gaz : l analyseur Orsat: CO2

28 - Appareils électrochimiques portatifs: Durée de vie très limitée, la cellule se pollue rapidement Bons marché mais pas de mesure en continu (échantillons) - Appareils fixes de mesures en continu: Mesure infrarouge: Absorption des IR par les gaz contenant du carbone (CO2,CO,CH..) Chimiluminescence: analyseurs de NO NO+O3 -> lumière proportionnelle à NO. Paramagnétivité Attraction magnétique de l oxygène => analyseur d oxygène magnéto-pneumatique Électrolyte solide la sonde ( fonctionnement comparable à la pile à combustible) absence d O2 :1V ; présence : 0V

29 II Phénoménologie de la combustion II-1 Mécanismes 1°) Réaction en chaîne et équilibres à HT Initiation Propagation Rupture Ramification ou Réaction en chaîne:

30 Réactions d équilibre A haute température: Etc... Détente ou refroidissement pariétal => « trempe » CO,NO, H2 dans les fumées Pots catalytiques : permettre la recombinaison à basse température

31 2°) Auto inflammation: Limites d auto inflammation : A : n heptane +1,5 isooctane dans l air B : Isooctane dans l air Richesse 1,25

32 Délai d auto inflammation : p croît => diminue mini pour R<1 p

33 3°) Détonation: propagation supersonique de la combustion 4°) Déflagration: propagation subsonique de la combustion Déflagration laminaire homogène

34 Influence de la turbulence Combustion diphasique

35 II-2 Combustion dans les fours et chaudières 1°) Transfert de chaleur Fours: Chaudières: Rayonnement dans le foyer Convection dans échangeurs et économiseurs Rayonnement: Le carbone-suie améliore le transfert ( F ) => fuel ou préchauffe du gaz nat. (650°C)

36 2°) Aérodynamique de l enceinte Sans rotation L a vitesse de rotation augmente Flamme boule Flamme murale Air induit par I du combustible


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