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

Professeur à l’Université de Rouen – France Jean-Charles SAUTET Professeur à l’Université 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 l’Energie » 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

La COMBUSTION : Concrètement ! Brûleurs et foyers industriels ALGLASS-FH Chaudières vapeur à tubes de fumée. 1 à 10,4 t/h Four d’incinération à grille 3

Incendies et explosions Toulouse, France, Sept 2001 Usine AZF -> 30 morts Explosion d’un stock de nitrate d’ammonium 4

Transport terrestre, aéronautique et spatial Un avion équipé de CFM56 décolle toutes les 4 secondes dans le monde M88-2 équipe l'avion de combat multirôle Rafale de DassaultAviation 5

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

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

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

Dans ce cas, l’énergie dégagée par la réaction est : Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Dans ce cas, l’énergie dégagée par la réaction est :   q = DH = Hprod – H réact On admet que - l’enthalpie initiale est la somme des enthalpies des différents réactifs - l’enthalpie finale est la somme des enthalpies des différents produits. et où ni et nj sont les coefficients stoechiométriques correspondant aux produits et aux réactifs. 9

Calcul d’une chaleur de réaction par la méthode des enthalpies de lien Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN A quoi correspondont l’enthalpie? Calcul d’une chaleur de réaction par la méthode des enthalpies de lien Exemple : P4 solide + 3 O2 gaz  P4O6 gaz         DH ? Etape 1 : P4 solide -------- P4 gaz on fournit Q1 au système Etape 2 : P4 gaz ---------- 4 P rupture de 6 liaisons P-P, on fournit Q2 au système                 3 O2 ---------- 6 O rupture de 3 liaisons O=O, on fournit Q3 au système Etape 3 :  4 P + 6 O ------- P4O6 formation de 12 liaisons P-O, le système perd Q4 10

Lien H: enthalpie du lien (Kcal/mole) P-P 48 P-O 80 O=O 119 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Lien H: enthalpie du lien (Kcal/mole) P-P 48 P-O 80 O=O 119   L’énergie fournie au système est comptée positivement pour le système. L’énergie 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 d’atomisation du lien Hat. Lorsqu’une liaison chimique se forme à partir des atomes on gagne de la chaleur. Cette énergie est appelée : enthalpie de formation du lien Hfor. Hat > 0         Hfor < 0 11

Pour un lien donné Hat = - Hfor Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Pour un lien donné Hat = - Hfor Pour une réaction chimique : DH = S Hat + S Hfor   Variation d’enthalpie de la réaction de combustion du phosphore : DH = 6.(+48)+3.(+119)+12.(-80)= - 315 Kcal/mol diagramme enthalpique : 12

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

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 d’un corps.   - Cette espèce chimique totalement ou partiellement oxydée est appelée combustible ou carburant, - L’espèce oxydante est le comburant. La réaction d’oxydation est en général exothermique. Le terme combustion s’applique aux cas où la réaction est suffisamment rapide pour quelle se matérialise par des effets radiatifs visibles (flammes, étincelles, etc.) 14

La réaction chimique de combustion est globalement une réaction Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN La réaction chimique de combustion est globalement une réaction d’oxydo-réduction Oxydant : comburant (O2 pur, O2 dilué (air), ozone, nitrates..)   + Réducteur : combustible (H2, hydrocarbures CnHm, CO…) = Produits de la réaction 15

La combustion peut être modélisée par une relation globale 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 n’y 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

En réalité, il y a un grand nombre de réactions élémentaires Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN En réalité, il y a un grand nombre de réactions élémentaires aCombustible + b Comburant ↔ c Produits a1 A1 + b1B1 ↔ c1C1 ….. + …… ↔ …… ai Ai + biBi ↔ ciCi an An + bnBn ↔ cnCn 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

III. Enthalpies standards Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN III. Enthalpies standards Enthalpie standard (molaire) d’une substance A l’enthalpie de formation de (1 mole de) cette substance dans son état standard (à p = 105 Pa et à T = 25 °C), à partir des éléments pris dans leur état standard également. L’exposant 0 indique l’état standard.   Par convention, l’enthalpie standard des éléments simples est nulle (N2, H2, O2, Cl2…). L’enthalpie standard d’une réaction: Les enthalpies standards de formation sont données par des tables. Exemple : on trouve dans les tables que = - 71,81 kJ/mole. Ceci représente l’enthalpie de la réaction exothermique :   C(s) + 2H2(g)  CH4(g)(méthane) à 298.15 K et sous p = 105 Pa 18

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 C D B ? On a alors (H est une fonction d’état).   De façon générale, si une réaction peut se décomposer en n étapes : 19

? Exemple : considérons la transformation du graphite en diamant : 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)+ O2(g) C(s, diamant)+ O2(g) CO2 (g) On connaît l’enthalpie de formation du CO2(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 D’où = 1,89 kJ/mole 20

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

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

Exemple : l’enthalpie standard de formation de H2O(g) à 298 K est Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Exemple : l’enthalpie standard de formation de H2O(g) à 298 K est -241,82 kJ/mole Cp(H2) = 28,84, Cp(O2) = 29,37 et Cp(H2O(g)) = 33,58 J.K-1mol-1. En considérant que ces valeurs restent constantes entre T0 = 298 K et T1 = 373 K, on peut calculer à 373 K : On a donc : kJ/mole 23

3- Température adiabatique de fin de réaction Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 3- Température adiabatique de fin de réaction L’enthalpie H est la quantité de chaleur nécessaire pour amener l’un quelconque des constituants du gaz de combustion de la température initiale à la température finale sous pression constante.   On considère une réaction à l’intérieur d’une bombe calorimétrique (adiabatique + volume constant). Toute l’énergie dégagée par la réaction sert à chauffer les produits. L’enthalpie des réactifs à la température initiale T0 = l’enthalpie des produits à la température Tf de fin de réaction 24

L’enthalpie des réactifs à la température T0 : Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN L’enthalpie des réactifs à la température T0 : L’enthalpie des produits à la température finale Tf :   Soit à résoudre : = 25

- système itératif car Cp=Cp(T) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Remarques: - système itératif car Cp=Cp(T)   - En ne considérant qu’une capacité calorifique moyenne, on n’obtiendra qu’une estimation de la température de fin de réaction complète. Exemples: - Combustion du méthane à l’air CH4 + 9,53 (0,21 O2+0,79 N2)  CO2 + 2 H20 + 7,53 N2 T°finale = 2200 K - Combustion du méthane à l’oxygène pur CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H20 T°finale = 3050 K Effet du ballast thermique de l’azote 26

4- Cinétique de formation des NOx 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

2 NO + O• Le NO Thermique (Thermal NO) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Le NO Thermique (Thermal NO) Formation initiée par la rupture de la triple liaison de l’azote moléculaire N2 (NN) + OH• 2 NO + H• N2 + O•  NO + N• 2 NO + O• + O2 Energie d’activation 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 d’azote moléculaire N2 28

Le NO du combustible (fuel NO) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Le NO du combustible (fuel NO) présence d’azote dans la matrice du combustible quantité d’azote fonction de la nature du combustible (solide/gazeux/liquide) formation rapide de composé gazeux en phase gaz (HCN, NH3…) - 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

Le NO précoce (prompt NO) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Le NO précoce (prompt NO) attaque de l’azote moléculaire de l’air par des fragments hydrocarbonés CHi N2 + CHi•  N• + HCN NO combustible T° mécanisme d’autant 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 CHi ) 30

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

Réduire les émissions résiduelles de NOx 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 (N2)  choix d’un 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

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

I- Conditions de la combustion 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; -       qu’un point de ce mélange soit porté à une température supérieure à la température d’inflammation. 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 l’alimentation en combustible et en comburant de façon à satisfaire les 3 conditions précédentes 34

II- Etude thermique de la combustion : pouvoir calorifique Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN II- Etude thermique de la combustion : pouvoir calorifique a- Pouvoir calorifique supérieur (PCS) Le PCS, à volume constant, d’un combustible représente la quantité de chaleur dégagée par la combustion de l’unité de masse du combustible : - dans de l’oxygène saturé de vapeur d’eau, - les produits réagissant et les produits formés étant à la même température, - l’eau 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

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

Par kg de mazout se forme environ 1,2 kg d'eau. 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 2 511 x 1,2 = 3 022 kJ/kg. Le mazout possède un PCI d'environ 43000 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

d- Unités et exemples de valeurs Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN d- Unités et exemples de valeurs Le pouvoir calorifique s’exprime 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.m3 pour les gaz. Rq: 1cal=4,18 J 1 kWh=3600 kJ = 861 kcal J/g Kcal/kg kWh/tonne 1 0,24 0,278 4,18 1,161 3,6 0,86 38

Pouvoir calorifique des gaz (millithermie/m3 ou kcal/m3) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Pouvoir calorifique des gaz (millithermie/m3 ou kcal/m3) Substance PCI PCS Hydrogène (H2) 2570 3050 Monoxyde de carbone (C0) 3025 Hydrogène sulfuré (H2S) 5760 6200 Méthane (CH4) 8575 9535 Ethane (C2H6) 15400 16865 Propane (C3H8) 22380 24360 Butane (C4H10) 29585 32075 Ethylène (C2H4) 14210 15155 Propylène (C3H6) 20960 22400 Acétylène (C2H2) 13505 13975 39

Pouvoir calorifique des liquides (thermies/tonne ou kcal/kg) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Rq: PCI massique Pour H2: 2570 kcal/m3 (r=0,09 kg/m3)  PCI=27 777 kcal/kg Pour CH4: 8575 kcal/m3 (r=0,67 kg/m3)  PCI=12 800 kcal/kg Soit un facteur 2,17 sur l’énergie dégagée par l’unité de masse Pouvoir calorifique des liquides (thermies/tonne ou kcal/kg) Substance PCI PCS Hexane (C6H14) 10780 11630 Octane (C8H18) 10705 11535 Benzène (C6H6) 9700 10105 Styrène (C8H8) 9780 10190 40

Bois sec (0% d’humidité) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Divers Bois (30% d’humidité) : 2800 thermies/tonne Essence Feuillus PCI en kWh/tonne Bois sec (0% d’humidité) Chêne 5 040 Hêtre 5 140 Châtaignier 5 190 Charme 4 970 Frêne 5 090 Bouleau 5 020 Acacia 5 270 Aulne 4 910 Peuplier 4 890 Orme 5 170 4434 thermies/tonne Décroissance linéaire du PCI en fonction de l’humidité Dans les plages d’humidité fréquemment utilisées dans le bois énergie (10% à 65% d’humidité), le PCI varie de 1 370 à 4 610 kWh/tonne soit un facteur 3.4 41

III- Grandeurs caractéristiques de la combustion stoechiométrique Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN III- Grandeurs caractéristiques de la combustion stoechiométrique a- Pouvoir comburivore (ou air stœchiométrique) : Va quantité d’air nécessaire pour assurer la combustion complète de l’unité de volume de gaz combustible. m3 d’air / m3 de gaz b- Pouvoir fumigène volume, ramené aux conditions normales, de produits (fumées) de la combustion de 1 m3 de gaz associé à l’air stoechiométrique.   m3 de produits / m3 de gaz pouvoir fumigène humide  V’f0 : l’eau produite par la combustion est à l’état de vapeur (c’est le volume qui est réellement évacué) pouvoir fumigène sec  Vf0 : l’eau produite par la combustion est supposée condensée et on ne tient compte que du volume des corps gazeux 42

Exemple : pour la combustion du méthane dans l’air Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Exemple : pour la combustion du méthane dans l’air   CH4 + 2 *(O2 + 3.76 N2)  CO2 + 2 H20 + 2*3,76 N2 Soit une mole de carburant pour 2*4,76 = 9,52 moles d’air. 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 d’air. La fraction massique de méthane dans le mélange stoechiométrique est 16/(16+274,56) = 0,055 = 5,5% 43

Pouvoir comburivore : Va = 9,52 Nm3 d’air / Nm3 de gaz Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN CH4 + 2 *(O2 + 3.76 N2)  CO2 + 2 H20 + 2*3,76 N2 Pouvoir comburivore : Va = 9,52 Nm3 d’air / Nm3 de gaz ou bien en Nm3 d’air / kg de gaz Pouvoir fumigène humide: Vfo’=(1+2+7,52)/1=10,52 Nm3 de fumées / Nm3 de gaz ou bien en Nm3 de fumées / kg de gaz Pouvoir fumigène sec: Vfo’= =(1+7,52)/1=8,52 Nm3 de fumées / Nm3 de gaz 44

Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN c- autres grandeurs 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 f < 1  pauvre (en excès d’air) si f > 1  riche (excès de carburant) 45

- l’excès d’air : le facteur d’air moins un (exprimé en %) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN -     le facteur d’air (rapport du débit d’air au débit stœchiométrique obtenu par le pouvoir comburivore) n<1 en milieu réducteur et n>1 en milieu oxydant -       l’excès d’air : le facteur d’air moins un (exprimé en %) -       le facteur de défaut d’air 46

Caractéristiques des fumées Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Caractéristiques des fumées -       gaz carbonique total VCO2 (ou « carbone total ») volume total de CO2 dû à la combustion complète de 1 Nm3 de combustible gazeux (ou de 1 kg pour les solides). en m3 CO2 / m3 gaz -       Vapeur d’eau totaleVH20 (ou « hydrogène total ») volume total de H20 dû à la combustion complète de 1 Nm3 de combustible gazeux (ou de 1 kg pour les solides). en m3 de vapeur d’eau / m3 gaz -       Teneur maximale en CO2 des produits de combustion secs « CO2 max » rapport du CO2 total au pouvoir fumigène sec Gaz naturel Proche de 12% Butane et propane commercial Environ 14% Fiouls Entre 15 et 16% 47

combustion à l’air de l’hydrogène Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Exemples : combustion à l’air de l’hydrogène   H2 + 2,38 ( 0,21 O2 + 0,79 N2)  H20 + 1,88 N2 Air théorique : 2,38 Humide (V’fo) (1+1,88)/1=2,88 Pouvoir fumigène sec (Vfo) (1,88)/1=1,88 CO2 total: 0/1 = 0 H20 total: 1/1 = 1 Composition volumétrique des produits de combustion humides (en % V’fo) CO2 0*100/2,88 = 0% H20 1*100/2,88 = 34,7% N2 1,88*100/2,88 = 65,3% 48

combustion à l’air du gaz de Lacq Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN combustion à l’air du gaz de Lacq (97,3%CH4, 2,1% C2H6, 0,2% C3H8, 0,1% C4H10, 0,3% N2)   (0,973 CH4 + 0,021 C2H6 + 0,002 C3H8 + 0,001 C4H10 + 0,003 N2) + 9,7 (0,21 O2 + 0,79 N2)  1,025 CO2 + 2,022 H20 + 7,66 N2 Air théorique : 9,7 Humide (V’fo) (1,025+2,022+7,66)/1=10,72 Pouvoir fumigène Sec (Vfo) (1,025+7,66)/1=8,7 CO2 total 1,025/1 = 1,025 H20 total 2,022/1 = 2,022 Composition volumétrique des produits humides (en % V’fo) CO2 1,025*100/10,72 = 9,6% H20 2,022*100/10,72 = 18,9% N2 7,66*100/10,72 = 71,5% 49

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

COMBUSTION STOECHIOMETRIQUE Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN a- combustion stœchiométrique C’est la combustion donnée par 1 m3 (n) de gaz associé à un volume d’air égal à l’air stœchiométrique COMBUSTION STOECHIOMETRIQUE Combustion complète sans excès d’air ni défaut d’air 1 m3(n) GAZ FUMEES HUMIDES N2 + CO2 + H20 V’fo m3(n) FUMEES SECHES N2 + CO2 Vfo m3(n) AIR (N2 + O2) Va m3(n) Taux d’aération n=1 EAU Va = Air théorique ou POUVOIR COMBURIVORE m3(n) d’air par m3(n) de gaz V’fo : pouvoir fumigène humide Vfo : pouvoir fumigène sec m3(n) de fumées par m3(n) de gaz 53

- Tout le carbone et tout l’hydrogène sont oxydés Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN combustion stœchiométrique: - Tout le carbone et tout l’hydrogène sont oxydés et tout l’oxygène de l’air est utilisé.   - Les produits de combustion ne contiennent que : O2, H20 et N2 - 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 l’air et le gaz très rigoureusement dans les proportions stœchiométriques. 54

COMBUSTION COMPLETE EN EXCES D’AIR Excès d’air : e(%) = 100 (n-1) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN b. combustion complète en excès d’air C’est la combustion donnée par 1 m3 (n) de gaz associé à un volume d’air supérieur à l’air stœchiométrique COMBUSTION COMPLETE EN EXCES D’AIR 1 m3(n) GAZ FUMEES HUMIDES FUMEES SECHES AIR UTILISE Va m3(n) V’fo m3(n) Vfo m3(n) AIR EN EXCES (n-1) Va (n-1).Va (n-1).Va EAU Taux d’aération n > 1 Volume d’air : n.Va Excès d’air : e(%) = 100 (n-1) 55

Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Pour chaque m3 de gaz :   - une partie de l’air associé, égale à l’air stœchiométrique, sert à assurer l’oxydation complète du carbone et de l’hydrogène - le reste, l’air en excès, ne participe pas à la combustion et se retrouve, intégralement, dans les produits de combustion qui comprennent : CO2, H20, N2 et O2 Ce type de combustion est le plus courant. 56

Défaut d’air : d(%) = 100 (1-n) COMBUSTION COMPLETE EN DEFAUT D’AIR Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN c- combustion complète en défaut d’air (utilisation totale de l’oxygène) C’est la combustion donnée par 1 m3 (n) de gaz associé à un volume d’air inférieur à l’air stœchiométrique GAZ 1 m3(n) défaut d’air (1-n)Va N2 + CO2 + H20 CO + H2 imbrûlés EAU Taux d’aération n < 1 Volume d’air : n.Va Défaut d’air : d(%) = 100 (1-n) COMBUSTION COMPLETE EN DEFAUT D’AIR FUMEES HUMIDES N2 + CO2 FUMEES SECHES AIR n.Va m3(n) 57

On trouve dans les produits de combustion : - des imbrûlés : CO, H2 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN On trouve dans les produits de combustion :      - des imbrûlés : CO, H2 et, pour des défauts d’air importants: méthane et carbone suie     - N2, CO2 et H20 Ce type de combustion est parfois recherché dans certaines applications industrielles en raison de l’action de tels produits de combustion sur la charge de certains fours. Il est très difficile à réaliser dans la pratique. 58

d- combustion incomplète Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN d- combustion incomplète 1 m3(n) de gaz est associé à un volume d’air 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 d’oxygène et d’imbrûlés dans les produits de combustion. 59

COMBUSTION INCOMPLETE (équilibres chimiques non réalisés) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN COMBUSTION INCOMPLETE (équilibres chimiques non réalisés) tc m3(n) brûlé FUMEES HUMIDES FUMEES SECHES 1 m3(n) N2 + CO2 + H20 N2 + CO2 GAZ CO + H2 CO + H2 AIR ta.Va m3(n) ta.Va m3(n) n.Va m3(n) EAU ta.Va m3(n) d’air inutilisé tc.Va m3(n) d’air utilisé Taux de combustion : tc Taux d’air inutilisé : ta Taux d’aération : n = tc + ta 60

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

V- Grandeurs caractéristiques de la combustion Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN V- Grandeurs caractéristiques de la combustion 1- Rapport air/gaz et taux d’aération Rapport air total / gaz (symbole R) En combustion théorique volume air = Va En combustion en excès d’air volume air > Va En combustion en défaut d’air volume air < Va 62

Taux d’aération ou facteur d’air (symbole n) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Taux d’aération ou facteur d’air (symbole n) En combustion théorique n=1   En combustion en excès d’air n>1 d’où un excès d’air e (%)=100(n-1) En combustion en défaut d’air n<1 d’où un défaut d’air d (%)=100(1-n) Taux de combustion et taux d’air inutilisé En combustion incomplète, le taux d’aération n est la somme du taux de combustion tc et du taux d’air inutilisé ta : n=tc+ta 63

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

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

Dans un grand nombre d’appareils, Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN Dans un grand nombre d’appareils, le brûleur n’apporte pas la totalité de l’air de combustion, mais seulement une partie : l’ AIR PRIMAIRE. Dans ce cas, le foyer, généralement en dépression, permet l’admission naturelle d’AIR SECONDAIRE   AIR PRIMAIRE + AIR SECONDAIRE =AIR TOTAL On a : - en débits d’air : qair primaire + qair secondaire = qair total (m3/h) - en rapport air/gaz : Rprimaire + Rsecondaire = Rtotal (m3 d’air/m3 gaz) - en taux d’aération : nprimaire + nsecondaire = ntotal (sans unité) Rq : il est nécessaire de contrôler la quantité d’air secondaire admise pour éviter le refroidissement de l’appareil par de l’air en grand excès, source de surconsommation. Pour les appareils industriels à haute température, il faut même proscrire toute admission d’air secondaire. 66

VI- Volume des produits de combustion à évacuer 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) (c’est 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 humide V’f = V’fo - en combustion complète en excès d’air Ce volume est égal au pouvoir fumigène humide augmenté de l’excès d’air V’f = V’fo + (n-1) Va 67

- en combustion complète en défaut d’air et en combustion incomplète Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN n n’étant pas connu à priori, dans la pratique on calcule le volume d’air en excès à partir de la teneur en O2 mesurée par analyse : gO2 sur produits secs et g’O2 sur produits de combustion humides excès d’air = - en combustion complète en défaut d’air et en combustion incomplète Les produits de combustion secs comportent CO2, CO et H2 ; dans la combustion incomplète, ils contiennent en plus O2.   Le volume des produits de combustion peut se calculer en fonction des caractéristiques du gaz et des résultats de l’analyse des produits de combustion 68

2- volume réel à évacuer à une température quelconque 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 l’appareil. En considérant les produits de combustion comme des gaz parfaits, on a Vt1 volume (ou débit) à T1 K ; Vt0 volume (ou débit) à 0°C 69