COURS : COMBUSTION ET COMBUSTIBLE

Définitions 1- Combustible Un combustible est un corps capable de brûler c’est-à-dire de se combiner à l’oxygène en dégageant une quantité de chaleur suffisante pour que son emploie soit possible dans le chauffage et la cuisson. On peut les classer en trois familles selon leur état : gazeux (méthane, propane, butane), liquide (fioul…) et solide (charbon, bois…)

2- Combustible gazeux courant. Les combustibles gazeux courants sont des hydrocarbures légers, composés de carbone et d'hydrogène. Leur combustion complète produit du gaz carbonique (CO2) et de l'eau (H2O). En défaut d'air la combustion peu aussi produire du carbone (C), du monoxyde de carbone (CO) et de l'hydrogène (H2). Combustible Formule chimique Densité Point d'ébullition Pouvoir Calorifique Méthane pur CH4 0.55 - 163 °C 12.67 kWh/m³ Propane pur C3H8 1.52 - 40°C 27.30 kWh/m³ Butane pur C4H10 2.10 - 9 °C 38.30 kWh/m³

Combustible + O2 > CO2 + H2O + chaleur + rayonnement. 3- La combustion La combustion est la combinaison rapide et très exothermique (libération de chaleur) d’un combustible, d’un comburant (le dioxygène « O2 » de l’air) et d’une flamme (allumette, étincelle…). Il y a alors production de dioxyde de carbone « CO2 » et de la vapeur d’eau « H2O », libération d’énergie sous forme thermique et rayonnante. Combustible + O2 > CO2 + H2O + chaleur + rayonnement.

4- Conditions d’une bonne combustion. Lors d’une combustion, il faut obtenir le maximum de chaleur avec le minimum de déchets. Pour cela : - La combustion doit être complète. Il faut alors une quantité suffisante de dioxygène, donc de l’air. - Le mélange entre combustible et le comburant doit être le plus étroit possible : l’air est préalablement mélangé au gaz (avant combustion). Ex : combustion complète du méthane et de l'oxygène : CH4 + 2O2 > CO2 + 2H2O

Triangle de feu

2CH4 + 2O2 > 3H2 + CO + H2O + CO2   Combustion incomplète : Une ventilation inadéquate, une mauvaise combustion ou une mauvaise évacuation des produits de combustion peuvent provoquer l’accumulation de monoxyde de carbone (CO). Un gaz incolore, indolore et très toxique qui peut mettre la vie en danger. Ex : combustion incomplète du méthane avec l'oxygène : 2CH4 + 2O2 > 3H2 + CO + H2O + CO2

Dangers du monoxyde de carbone Le monoxyde de carbone agit comme un gaz asphyxiant très toxique prenant la place de l’oxygène dans le sang. Il peut s’avérer mortel en moins d’1 heure : - 0,1 % de CO dans l’air tue en 1 heure, - 1 % de CO dans l’air tue en 15 minutes, - 10 % de CO dans l’air tuent immédiatement.

5- Pouvoir calorifique. Le pouvoir calorifique d’un combustible gazeux est la quantité de chaleur produite par la combustion de 1 m3 de ce combustible (ou 1 kg pour les combustibles gazeux stockés à l’état liquide) dans les conditions normales de pression et de température.   PC = Q/m avec Q la quantité de chaleur libérée par la combustion et m la masse du combustible (solide ou liquide) PC = Q/V. V étant le volume en m3 si le combustible est gazeux.

Le PCI et le PCS sont liés par la relation : PCS = PCI + m.L, Remarque importante : On distingue le pouvoir calorifique supérieur, noté PCS, où l'eau formée pendant la combustion est condensée à la température T, et le pouvoir calorifique inférieur, noté PCI, où l'eau formée par la combustion est considérée à l'état gazeux à la température T. Le PCI et le PCS sont liés par la relation : PCS = PCI + m.L, m la masse d’eau formée par condensation en kg et L la chaleur latente de vaporisation (ou de condensation). Combustible PCI en kWh/m3 PCS en kWh/m3 Méthane 10 11 Propane 26 28,3 Butane 34,36 37,25

6- Pouvoir comburivore : Le pouvoir comburivore est la quantité d’air exprimée en m3 nécessaire à la combustion complète de 1 kg de combustible solide ou liquide et de 1 m3 de combustible gazeux dans les CNPT. Il s’exprime en m3/kg ou m3/g.

7- Réaction de combustion Combustion du méthane dans le dioxygène : CH4 + 2O2 > CO2 + 2H2O Combustion du butane : 2C4H10 + 13O2 > 8CO2 + 10H2O Combustion de propane : C3H4 + 5O2 > 3CO2 + 4H2O

8- Avancement et bilan de la matière. Lors d’une combustion le système chimique évolue de son état initial à son état final. Les quantités de matière des réactifs diminuent, tandis que les quantités de matière des produits augmentent. Pour suivre cette évolution, on introduit une grandeur appelée avancement, notée x, dont l’unité est la mole. La transformation chimique s’arrête lorsqu’un des réactifs disparaît. Ce réactif totalement consommé est appelé réactif limitant. L’avancement maximal xmax est alors atteint.

Exemple, la combustion de n0 de butane En fin de combustion le butane est entièrement consommé, il n’en reste plus, donc : donne, n0 – xf = 0 donc xf = n0 ; permet de trouver la quantité de dioxygène nécessaire à la combustion. n i (O2) – (13/2).xf = 0 donc n i (O2) =(13/2).n0. Le tableau d’avancement donne également les quantités de produits formés. nf(C02) = 4n0 et nf(H2O) = 5n0.  

9- Risque d’inflammation Le classement des liquides inflammables dépend de leur point éclaire et de leur température d’ébullition. Le point éclaire est la température minimale pour laquelle la concentration des vapeurs émises est suffisante pour produire une explosion au contacte d’une flamme ou d’un point chaud. Catégorie de risque Point éclair Température d’ébullition Exemple Extrêmement inflammable Técl <0 °C Téb<35 °C Ether étthylique Facilement inflammable Técl <21 °C  Téb>35 °C Alcool, Acétone inflammable 21°C <Técl<55 °C   Fioul, white spirit

10- Quelques conseils… En cas de fuite ou d’odeur de gaz, vous devez impérativement respecter quelques règles simples : Ouvrez les fenêtres ! Fermez les robinets de gaz (en dirigeant la poignée à la perpendiculaire du tuyau) Évitez toute étincelle (allumettes, sonnette, interrupteurs, téléphone, ascenseur…) Téléphonez de l’extérieur (cabine ou portable) Pour être tranquille, mieux vaut respecter les consignes réglementaires suivantes : Vérifier les dates limites des tuyaux de raccordement (cuisinière, …) Entretenir une fois par an les chaudières à gaz et leur conduit de fumées Dégager les ventilations hautes et basses

11- Moyens de protections. Les alarmes avertissement du danger par émission d’un signal sonore à l’intérieur du bâtiment. Les robinets d’incendie armés (RIA) sont présents dans les établissements industriels et ceux recevant du public. Ils sont alimenter en permanence et permettent d’agir avant l’arrivé des sapeurs pompiers. Les extincteurs sont des appareils contenant un produit extincteur à appliquer sur un début de feu. Les sprinklers sont des appareils d’extinction automatique. En cas d’incendie, l’arrosage se déclenche.

12- Effets sur la santé Le monoxyde de carbone agit comme un gaz asphyxiant très toxique prenant la place de l’oxygène dans le sang. Il peut s’avérer mortel en moins d’une heure. Il provoque deux types d’intoxication : - L’intoxication faible ou chronique : elle se manifeste par des maux de tête, des nausées et de la fatigue. Elle est lente. - L’intoxication grave : plus rapide, elle entraîne des vertiges, des troubles du comportement, des pertes de connaissance, le coma ou le décès. Ces intoxications peuvent laisser des séquelles à vie.