La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

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

Présentations similaires


Présentation au sujet: "Cours de COMBUSTION Jean-Charles SAUTET – Université de Rouen 1."— Transcription de la présentation:

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

2 Jean-Charles SAUTET Professeur à lUniversité 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 lEnergie » Cours de combustion février 2012 Lundi 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

3 La COMBUSTION : Concrètement ! Brûleurs et foyers industriels ALGLASS-FH Chaudières vapeur à tubes de fumée. 1 à 10,4 t/h Four dincinération à grille 3

4 Incendies et explosions Toulouse, France, Sept 2001 Usine AZF -> 30 morts Explosion dun stock de nitrate dammonium 4

5 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

6 Plan du cours: - chap 1:Rappels de Thermochimie - chap 2: Etude physico-chimique de la combustion - chap 3: COMBUSTION LAMINAIRE Flamme de diffusion Flamme de prémélange - chap 4: exemples de procédés industriels de combustion 6

7 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Partie I Rappels de Thermochimie 7

8 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN I. Chaleur et enthalpie de réaction Toute réaction chimique absorbe ou dégage de lénergie, 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

9 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Dans ce cas, lénergie dégagée par la réaction est : q = H = H prod – H réact On admet que - lenthalpie initiale est la somme des enthalpies des différents réactifs - lenthalpie finale est la somme des enthalpies des différents produits. et où i et j sont les coefficients stoechiométriques correspondant aux produits et aux réactifs. 9

10 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN A quoi correspondont lenthalpie? Calcul dune chaleur de réaction par la méthode des enthalpies de lien Exemple : P 4 solide + 3 O 2 gaz P 4 O 6 gaz H ? Etape 1 : P 4 solide P 4 gaz on fournit Q 1 au système Etape 2 : P 4 gaz P rupture de 6 liaisons P-P, on fournit Q 2 au système 3 O O rupture de 3 liaisons O=O, on fournit Q 3 au système Etape 3 : 4 P + 6 O P 4 O 6 formation de 12 liaisons P-O, le système perd Q 4 10

11 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN LienH: enthalpie du lien (Kcal/mole) P-P48 P-O 80 O=O119 Lénergie fournie au système est comptée positivement pour le système. Lénergie 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 datomisation du lien H at. Lorsquune liaison chimique se forme à partir des atomes on gagne de la chaleur. Cette énergie est appelée : enthalpie de formation du lien H for. H at > 0 H for < 0 11

12 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Pour un lien donné H at = - H for Pour une réaction chimique : H = H at + H for Variation denthalpie de la réaction de combustion du phosphore : H = 6.(+48)+3.(+119)+12.(-80)= Kcal/mol diagramme enthalpique : 12

13 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Il existe 3 sortes de diagrammes enthalpiques : 13

14 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN II. La COMBUSTION La combustion désigne une réaction chimique au cours de laquelle il y a oxydation complète ou partielle dun corps. - Cette espèce chimique totalement ou partiellement oxydée est appelée combustible ou carburant, - Lespèce oxydante est le comburant. La réaction doxydation est en général exothermique. Le terme combustion sapplique aux cas où la réaction est suffisamment rapide pour quelle se matérialise par des effets radiatifs visibles (flammes, étincelles, etc.) 14

15 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN La réaction chimique de combustion est globalement une réaction doxydo-réduction Oxydant : comburant (O 2 pur, O 2 dilué (air), ozone, nitrates..) + Réducteur : combustible (H 2, hydrocarbures C n H m, CO…) = Produits de la réaction 15

16 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 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 ny 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 16

17 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN En réalité, il y a un grand nombre de réactions élémentaires a Combustible + b Comburant c Produits a 1 A 1 + b 1 B 1 c 1 C 1 ….. + …… …… a i A i +b i B i c i C i ….. + …… …… a n A n +b n B n c n C n 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. 17

18 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN III. Enthalpies standards Enthalpie standard (molaire) dune substance A lenthalpie de formation de (1 mole de) cette substance dans son état standard (à p = 10 5 Pa et à T = 25 °C), à partir des éléments pris dans leur état standard également. Lexposant 0 indique létat standard. Par convention, lenthalpie standard des éléments simples est nulle (N2, H2, O2, Cl2…). Lenthalpie standard dune réaction: Les enthalpies standards de formation sont données par des tables. Exemple : on trouve dans les tables que = - 71,81 kJ/mole. Ceci représente lenthalpie de la réaction exothermique : C(s) + 2H 2 (g) CH 4 (g)(méthane) à K et sous p = 10 5 Pa 18

19 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 1- Loi de Hess Supposons que la réaction A B peut se décomposer en plusieurs étapes (pas nécessairement réalisables) : A CD B ? On a alors (H est une fonction détat). De façon générale, si une réaction peut se décomposer en n étapes : 19

20 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 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)+ O 2 (g) C(s, diamant)+ O 2 (g) CO 2 (g) ? On connaît lenthalpie de formation du CO 2 (g) à partir de ses éléments = - 393,51 kJ/mole La seconde réaction est la réaction opposée à la combustion du diamant, = 395,40 kJ/mole Doù = 1,89 kJ/mole 20

21 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 2- Loi de Kirchhoff permet de calculer la chaleur de réaction dans le cas où la température nest pas la température standard (25°C) Capacité calorifique molaire à pression constante : Pour une réaction : 21

22 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN On en déduit la loi de Kirchhoff : ou sous forme intégrale : 22

23 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Exemple : lenthalpie standard de formation de H 2 O(g) à 298 K est -241,82 kJ/mole C p (H 2 ) = 28,84, C p (O 2 ) = 29,37 et C p (H 2 O(g)) = 33,58 J.K -1 mol -1. En considérant que ces valeurs restent constantes entre T 0 = 298 K et T 1 = 373 K, on peut calculer à 373 K : On a donc : kJ/mole 23

24 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 3- Température adiabatique de fin de réaction Lenthalpie H est la quantité de chaleur nécessaire pour amener lun quelconque des constituants du gaz de combustion de la température initiale à la température finale sous pression constante. On considère une réaction à lintérieur dune bombe calorimétrique (adiabatique + volume constant). Toute lénergie dégagée par la réaction sert à chauffer les produits. Lenthalpie des réactifs à la température initiale T 0 = lenthalpie des produits à la température T f de fin de réaction 24

25 Lenthalpie des réactifs à la température T 0 : Lenthalpie des produits à la température finale T f : Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Soit à résoudre : = 25

26 Remarques: - système itératif car Cp=Cp(T) - En ne considérant quune capacité calorifique moyenne, on nobtiendra quune estimation de la température de fin de réaction complète. Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Exemples: - Combustion du méthane à lair CH 4 + 9,53 (0,21 O 2 +0,79 N 2 ) CO H ,53 N 2 T° finale = 2200 K - Combustion du méthane à loxygène pur CH O 2 CO H 2 0 T° finale = 3050 K Effet du ballast thermique de lazote 26

27 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 4- Cinétique de formation des NOx a- 3 mécanismes: - Le NOx THERMIQUE - Le NOx COMBUSTIBLE - Le NOx PRECOCE 27

28 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Le NO Thermique (Thermal NO) Formation initiée par la rupture de la triple liaison de lazote moléculaire N2 (N N) 2 NO + H N 2 + O NO + N 2 NO + O + OH + O 2 Energie dactivation 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 dazote moléculaire N2 28

29 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Le NO du combustible (fuel NO) - présence dazote dans la matrice du combustible - quantité dazote fonction de la nature du combustible (solide/gazeux/liquide) - formation rapide de composé gazeux en phase gaz (HCN, NH 3 …) - oxydation de ces composés conduisant à la formation de NO Pour limiter la formation du NO combustible: choix du combustible reformulation / dénitrification du combustible 29

30 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Le NO précoce (prompt NO) - attaque de lazote moléculaire de lair par des fragments hydrocarbonés CH i N 2 + CH i N + HCNNO combustible T° - mécanisme dautant 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 CH i ) 30

31 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN b- technologies dabattement des NOx Limiter la formation des NOx à la source amélioration du processus de combustion Méthodes primaires: limiter la température dans lenceinte de combustion contrôler le rapport combustible / comburant adapter le mode de combustion (homogénéité, géométries…) Moyens disponibles: étagement des injections dair et de combustible recirculation des fumées optimisation de la géométrie injecteur / brûleur optimisation des paramètres de fonctionnement 31

32 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 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 (N 2 ) choix dun procédé adapté au process industriel Moyens disponibles: traitement en phase gaz: recombustion, réduction sélective non catalytique traitement catalytique: réduction sélective catalytique couplage de méthodes 32

33 Partie II Etude physico-chimique de la combustion Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 33

34 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 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; - quun point de ce mélange soit porté à une température supérieure à la température dinflammation. 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 lalimentation en combustible et en comburant de façon à satisfaire les 3 conditions précédentes 34

35 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN II- Etude thermique de la combustion : pouvoir calorifique a- Pouvoir calorifique supérieur (PCS) Le PCS, à volume constant, dun combustible représente la quantité de chaleur dégagée par la combustion de lunité de masse du combustible : - dans de loxygène saturé de vapeur deau, - les produits réagissant et les produits formés étant à la même température, - leau 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. 35

36 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN b- Pouvoir calorifique inférieur (PCI) La plupart du temps, les fumées sortent des surfaces déchange à une température supérieure au point de rosée. Leau 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 leau formée au cours de la combustion et éventuellement de leau contenue dans le combustible. PCI = PCS - Chaleur latente d'évaporation c- Pouvoir calorifique des mélanges avec : PC m pouvoir calorifique du mélange, PC i pouvoir calorifique des constituants x i fraction massique de chaque constituant. 36

37 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 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 x 1,2 = kJ/kg. Le mazout possède un PCI d'environ 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 37

38 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN d- Unités et exemples de valeurs Le pouvoir calorifique sexprime 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.m 3 pour les gaz. Rq: 1cal=4,18 J 1 kWh=3600 kJ = 861 kcal J/gKcal/kgkWh/tonne J/g10,240,278 Kcal/kg4,1811,161 kWh/tonne3,60,861 38

39 SubstancePCIPCS Hydrogène (H2) Monoxyde de carbone (C0) 3025 Hydrogène sulfuré (H2S) Méthane (CH4) Ethane (C2H6) Propane (C3H8) Butane (C4H10) Ethylène (C2H4) Propylène (C3H6) Acétylène (C2H2) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Pouvoir calorifique des gaz (millithermie/m 3 ou kcal/m 3 ) 39

40 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Pouvoir calorifique des liquides (thermies/tonne ou kcal/kg) SubstancePCIPCS Hexane (C6H14) Octane (C8H18) Benzène (C6H6) Styrène (C8H8) Rq: PCI massique Pour H2: 2570 kcal/m3 ( =0,09 kg/m3) PCI= kcal/kg Pour CH4: 8575 kcal/m3 ( =0,67 kg/m3) PCI= kcal/kg Soit un facteur 2,17 sur lénergie dégagée par lunité de masse 40

41 Essence FeuillusPCI en kWh/tonne Bois sec (0% dhumidité) Chêne5 040 Hêtre5 140 Châtaignier5 190 Charme4 970 Frêne5 090 Bouleau5 020 Acacia5 270 Aulne4 910 Peuplier4 890 Orme5 170 Divers Bois (30% dhumidité) : 2800 thermies/tonne Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Décroissance linéaire du PCI en fonction de lhumidité Dans les plages dhumidité fréquemment utilisées dans le bois énergie (10% à 65% dhumidité), le PCI varie de à kWh/tonne soit un facteur thermies/tonne 41

42 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN III- Grandeurs caractéristiques de la combustion stoechiométrique a- Pouvoir comburivore (ou air stœchiométrique) : Va quantité dair nécessaire pour assurer la combustion complète de lunité de volume de gaz combustible. m 3 dair / m 3 de gaz b- Pouvoir fumigène volume, ramené aux conditions normales, de produits (fumées) de la combustion de 1 m 3 de gaz associé à lair stoechiométrique. m 3 de produits / m 3 de gaz pouvoir fumigène humide V f0 : leau produite par la combustion est à létat de vapeur (cest le volume qui est réellement évacué) pouvoir fumigène sec V f0 : leau produite par la combustion est supposée condensée et on ne tient compte que du volume des corps gazeux 42

43 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Exemple : pour la combustion du méthane dans lair CH *(O N 2 ) CO H *3,76 N 2 Soit une mole de carburant pour 2*4,76 = 9,52 moles dair. -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 dair. La fraction massique de méthane dans le mélange stoechiométrique est 16/(16+274,56) = 0,055 = 5,5% 43

44 Pouvoir comburivore : Va = 9,52 Nm 3 dair / Nm 3 de gaz ou bien en Nm 3 dair / kg de gaz Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN CH *(O N 2 ) CO H *3,76 N 2 Pouvoir fumigène humide: Vfo=(1+2+7,52)/1=10,52 Nm 3 de fumées / Nm 3 de gaz ou bien en Nm 3 de fumées / kg de gaz Pouvoir fumigène sec: Vfo= =(1+7,52)/1=8,52 Nm 3 de fumées / Nm 3 de gaz 44

45 c- autres grandeurs Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 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 ou si < 1 pauvre (en excès dair) si > 1 riche (excès de carburant) 45

46 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN - le facteur dair (rapport du débit dair au débit stœchiométrique obtenu par le pouvoir comburivore) n 1 en milieu oxydant - lexcès dair : le facteur dair moins un (exprimé en %) - le facteur de défaut dair 46

47 Caractéristiques des fumées Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN - gaz carbonique total V CO2 (ou « carbone total ») volume total de CO 2 dû à la combustion complète de 1 Nm 3 de combustible gazeux (ou de 1 kg pour les solides). en m 3 CO 2 / m 3 gaz - Vapeur deau totaleV H20 (ou « hydrogène total ») volume total de H 2 0 dû à la combustion complète de 1 Nm 3 de combustible gazeux (ou de 1 kg pour les solides). en m 3 de vapeur deau / m 3 gaz - Teneur maximale en CO 2 des produits de combustion secs « CO2 max » rapport du CO 2 total au pouvoir fumigène sec Gaz naturelProche de 12% Butane et propane commercial Environ 14% FioulsEntre 15 et 16% 47

48 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Exemples : combustion à lair de lhydrogène H 2 + 2,38 ( 0,21 O 2 + 0,79 N 2 ) H ,88 N 2 Air théorique : 2,38 Humide (V fo )(1+1,88)/1=2,88 Pouvoir fumigène sec (V fo )(1,88)/1=1,88 CO 2 total:0/1 = 0 H 2 0 total:1/1 = 1 Composition volumétrique des produits de combustion humides (en % V fo ) CO 2 0*100/2,88 = 0% H 2 01*100/2,88 = 34,7% N 2 1,88*100/2,88 = 65,3% 48

49 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN combustion à lair du gaz de Lacq (97,3%CH 4, 2,1% C 2 H 6, 0,2% C 3 H 8, 0,1% C 4 H 10, 0,3% N 2 ) (0,973 CH 4 + 0,021 C 2 H 6 + 0,002 C 3 H 8 + 0,001 C 4 H ,003 N 2 ) + 9,7 (0,21 O 2 + 0,79 N 2 ) 1,025 CO 2 + 2,022 H ,66 N 2 Air théorique : 9,7 Humide (V fo ) (1,025+2,022+7,66)/1=10,72 Pouvoir fumigène Sec (V fo ) (1,025+7,66)/1=8,7 CO 2 total1,025/1 = 1,025 H 2 0 total2,022/1 = 2,022 Composition volumétrique des produits humides (en % V fo ) CO 2 1,025*100/10,72 = 9,6% H 2 02,022*100/10,72 = 18,9% N 2 7,66*100/10,72 = 71,5% 49

50 50

51 51

52 IV- Les différents types de combustion Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN On peut distinguer 4 types de combustion : - la combustion stœchiométrique - La combustion complète en excès dair - La combustion complète en défaut dair - La combustion incomplète 52

53 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN a- combustion stœchiométrique Cest la combustion donnée par 1 m 3 (n) de gaz associé à un volume dair égal à lair stœchiométrique GAZ 1 m 3 (n) AIR (N 2 + O 2 ) V a m 3 (n) FUMEES HUMIDES N 2 + CO 2 + H 2 0 V fo m 3 (n) Taux daération n=1 FUMEES SECHES N 2 + CO 2 V fo m 3 (n) EAU V a = Air théorique ou POUVOIR COMBURIVORE m 3 (n) dair par m 3 (n) de gaz V fo : pouvoir fumigène humide V fo : pouvoir fumigène sec m 3 (n) de fumées par m 3 (n) de gaz COMBUSTION STOECHIOMETRIQUE Combustion complète sans excès dair ni défaut dair 53

54 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN - Tout le carbone et tout lhydrogène sont oxydés et tout loxygène de lair est utilisé. - L es produits de combustion ne contiennent que : O 2, H 2 0 et N 2 - 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 lair et le gaz très rigoureusement dans les proportions stœchiométriques. combustion stœchiométrique: 54

55 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN b. combustion complète en excès dair Cest la combustion donnée par 1 m 3 (n) de gaz associé à un volume dair supérieur à lair stœchiométrique GAZ 1 m 3 (n) AIR UTILISE V a m 3 (n) V fo m 3 (n) (n-1).V a EAU Taux daération n > 1 Volume dair : n.Va Excès dair : e(%) = 100 (n-1) COMBUSTION COMPLETE EN EXCES DAIR AIR EN EXCES (n-1) V a FUMEES HUMIDES V fo m 3 (n) FUMEES SECHES (n-1).V a 55

56 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Pour chaque m 3 de gaz : - une partie de lair associé, égale à lair stœchiométrique, sert à assurer loxydation complète du carbone et de lhydrogène - le reste, lair en excès, ne participe pas à la combustion et se retrouve, intégralement, dans les produits de combustion qui comprennent : CO 2, H 2 0, N 2 et O 2 Ce type de combustion est le plus courant. 56

57 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN c- combustion complète en défaut dair (utilisation totale de loxygène) Cest la combustion donnée par 1 m 3 (n) de gaz associé à un volume dair inférieur à lair stœchiométrique GAZ 1 m 3 (n) défaut dair (1- n)Va N 2 + CO 2 + H 2 0 CO + H 2 imbrûlés EAU Taux daération n < 1 Volume dair : n.Va Défaut dair : d(%) = 100 (1-n) COMBUSTION COMPLETE EN DEFAUT DAIR FUMEES HUMIDES N 2 + CO 2 FUMEES SECHES AIR n.V a m 3 (n) CO + H 2 imbrûlés 57

58 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN On trouve dans les produits de combustion : - des imbrûlés : CO, H 2 et, pour des défauts dair importants: méthane et carbone suie - N 2, CO 2 et H 2 0 Ce type de combustion est parfois recherché dans certaines applications industrielles en raison de laction de tels produits de combustion sur la charge de certains fours. Il est très difficile à réaliser dans la pratique. 58

59 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN d- combustion incomplète 1 m 3 (n) de gaz est associé à un volume dair 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 doxygène et dimbrûlés dans les produits de combustion. 59

60 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN GAZ 1 m 3 (n) N 2 + CO 2 + H 2 0 t a.V a m 3 (n) EAU Taux de combustion : t c Taux dair inutilisé : t a Taux daération : n = t c + t a COMBUSTION INCOMPLETE (équilibres chimiques non réalisés) FUMEES HUMIDES N 2 + CO 2 FUMEES SECHES AIR CO + H 2 t a.V a m 3 (n) t c m 3 (n) brûlé t c.V a m 3 (n) dair utilisé t a.V a m 3 (n) dair inutilisé n.V a m 3 (n) CO + H 2 60

61 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Ce type de combustion se rencontre lorsque le gaz et lair disponibles ne se combinent pas totalement dans la zone de combustion. Ce peut être le résultat : - de la détérioration dun brûleur, qui assure un mélange imparfait - dun refroidissement brutal provoquant larrêt de la combustion. On peut également rencontrer une telle combustion sur des fours industriels lorsquune partie de lair est aspirée par des ouvertures du fait de la dépression régnant dans lenceinte. Cette combustion nest jamais souhaitable et correspond à des équipements mal réglés ou détériorés 61

62 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN V- Grandeurs caractéristiques de la combustion 1- Rapport air/gaz et taux daération Rapport air total / gaz (symbole R) En combustion théoriquevolume air = V a En combustion en excès dairvolume air > V a En combustion en défaut dairvolume air < V a 62

63 En combustion théoriquen=1 En combustion en excès dairn>1 doù un excès daire (%)=100(n-1) En combustion en défaut dairn<1 doù un défaut daird (%)=100(1-n) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Taux daération ou facteur dair (symbole n) Taux de combustion et taux dair inutilisé En combustion incomplète, le taux daération n est la somme du taux de combustion t c et du taux dair inutilisé t a : n=t c +t a 63

64 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Rq : - La combustion peut être incomplète, même si le gaz et lair sont présents en quantité stoechiométrique, par exemple si la présence dune paroi froide inhibe la combustion. Si t c =0,9 et t a =0,1, on a n=1, mais 10% du combustible ne se sont pas oxydés et 10% de lair sont restés inutilisés. En combustion complète en défaut dair (utilisation totale de loxygène), t a =0 et t c =n 64

65 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 2- Bilan en air de combustion dun appareil GAZ AIR PRIMAIRE AIR SECONDAIRE + = AIR TOTAL Produits de combustion GAZ AIR TOTAL Produits de combustion 65

66 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Dans un grand nombre dappareils, le brûleur napporte pas la totalité de lair de combustion, mais seulement une partie : l AIR PRIMAIRE. Dans ce cas, le foyer, généralement en dépression, permet ladmission naturelle dAIR SECONDAIRE AIR PRIMAIRE + AIR SECONDAIRE =AIR TOTAL On a : - en débits dair : q air primaire + q air secondaire = q air total (m 3 /h) - en rapport air/gaz :R primaire + R secondaire = R total (m 3 dair/m 3 gaz) - en taux daération :n primaire + n secondaire = n total (sans unité) Rq : il est nécessaire de contrôler la quantité dair secondaire admise pour éviter le refroidissement de lappareil par de lair en grand excès, source de surconsommation. Pour les appareils industriels à haute température, il faut même proscrire toute admission dair secondaire. 66

67 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 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) (cest à dire à 0°C puisque la pression demeure, sauf exception, toujours voisine de la pression atmosphérique ) - en combustion stœchiométrique Ce volume est égal au pouvoir fumigène humideV f = V fo - en combustion complète en excès dair Ce volume est égal au pouvoir fumigène humide augmenté de lexcès dair V f = V fo + (n-1) V a 67

68 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN n nétant pas connu à priori, dans la pratique on calcule le volume dair en excès à partir de la teneur en O 2 mesurée par analyse : O2 sur produits secs et O2 sur produits de combustion humides excès dair = - en combustion complète en défaut dair et en combustion incomplète Les produits de combustion secs comportent CO 2, CO et H 2 ; dans la combustion incomplète, ils contiennent en plus O 2. Le volume des produits de combustion peut se calculer en fonction des caractéristiques du gaz et des résultats de lanalyse des produits de combustion 68

69 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 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 lappareil. En considérant les produits de combustion comme des gaz parfaits, on a V t1 volume (ou débit) à T 1 K ; V t0 volume (ou débit) à 0°C 69


Télécharger ppt "Cours de COMBUSTION Jean-Charles SAUTET – Université de Rouen 1."

Présentations similaires


Annonces Google