Combustion (2ème partie) Combustions réelles, combustibles complexes

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

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

Caractéristiques sur sec et sans cendres a) Charbons : origine végétale années - 65 millions - 360 millions Tourbes Lignites Houilles C H O2 Pp De 60 à 94% De 6 à 3,5% De 35 à 1,5% 20 à 36 MJ/kg b) Bois et déchets végétaux : C H2 O2 N2 Ip Va VF CO2 50% 5,8% 43,2% 1% 18MJ /kg 4 ,5 5,2 19 Caractéristiques sur sec et sans cendres

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

I-1-2 Combustibles liquides et gazeux : 1°)Hydrocarbures pétroliers Le pétrole: Beaucoup plus ancien que les charbons (milliard d’années) . Origine: décomposition des microorganismes des mers primitives. Forte teneur en soufre a) Combustibles de distillation : GPL(bu-pro) essence kérosène Gazoil et FOD Fuel lourd BTS C% 82,5 85,5 85,7 86 87 H% 17,5 14,5 14,3 13,3 11,35 S% <0,3 0,3 1 N% 0,2 0,25 O% 0,4 Ma 15,4 15 14 d 0,55 0,75 0,8 0,844 0,99 Ip 46MJ/kg 44MJ/kg 43,5MJ/kg 42MJ/kg

b) Gaz naturels Composition très variable fonction de la provenance CH4 % C2H6 % C3H8 % C4H10 % N2 90 6,5 2 0,5 1 Pp MJ/Nm3 Ip MJ/Nm3 d Va VCO2 VH2O VFS 40 36 0,6 9,7 1 2 8,7

Bons pour MAC: RON élevé mais Ma faible=>MTBE,ETBE 2°) Liquides d’origine végétale a) alcools Bons pour MAC: RON élevé mais Ma faible=>MTBE,ETBE C% H% O% Ip MJ /kg Ma kg/kg d Méthanol 37,5 12,5 50 20 6,45 0,796 MTBE 35,2 11,7 0,746 Éthanol 52 13 35 26 8,93 0,794 ETBE 35,9 12,1 0,75 b) Huiles végétales, diester Pour MD mais Pb viscosité, pt d’écoulement, craquage…=> diester C% H% O% Ip MJ /kg Ma kg/kg m20°C. cSt Craquage Colza 77 ,9 11,7 14,7 37,4 12,33 77 250°C Diester 37 ,7 7 350°C

I-2 Composition des fumées Combustion neutre: Pouvoir comburivore : Va Volume d’air nécessaire Pouvoir fumigène humide: VFH Volume de fumées Pouvoir fumigène sec : VFS Volume de fumées sans la vapeur d’eau Carbone total : VC02 Volume de gaz carbonique Hydrogène total : VH20 Volume d’eau des fumées Oxygène et azote libre VO2, VN2 contenus dans le combustible Solides, Liquides: Nm3/kg de combustible Combustibles gazeux: Nm3/Nm3 de comb.

Combustion réelle: V’a,V’FH… - Mauvaise combustion - Dosage non stoechiométrique pour: Rendement maxi Puissance et stabilité Combustion réductrice Teneur en CO2 des fumées: XCO2= V’CO2/V’FH Teneur en CO2 des fumées sèches; gCO2= V’CO2/V’FS Donnée par les analyseurs de fumées

1°) Combustion neutre Carburant +Comburant Fumées C,H,O,S,N,Humidité CO2,SO2,N2,H2O

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

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

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

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

3°) Combustion réductrice ou incomplète Combustion réductrice loin de la stœchiométrie: Cas peu fréquent ou dysfonctionnement Diagramme d’équilibre

Cas général de combustion quelconque: le diagramme d’Ostwald

4°) Utilisation pratique des analyses de fumées Analyseurs => gO2,gCO2, gCO… - Utiliser gO2, pour le calcul de l’excès d’air sauf si on a que gCO2 - gCO permet d’estimer les pertes par imbrûlés (faibles…) - Les autres mesures (NOx, SO2…) : pollution limites légales

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

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.

2°) Pertes par chaleur latente 2500kJ/kg

3°) Pertes par imbrûlés En Nm3/s si combust. gaz et kg/s si liq. ou sol. Et: V’FS=VFS+eVa Les analyseurs donnent CO =>on déduit H2 par: Pour les moteurs (équilibre supposé à 1850°C) : gCO /gH2 =8x/y Pour les fours ou chaudières (1450°C) : gCO /gH2 =5x/y

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…

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%)

- Oxydes de carbone: combustion incomplète - 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.

Législation automobile: 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

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

- 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 l (fonctionnement comparable à la pile à combustible) absence d’O2 :1V ; présence : 0V

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

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

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

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

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

Combustion diphasique Influence de la turbulence Combustion diphasique

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

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