Combustion
COMBUSTION
INTRODUCTION: Pourquoi la combustion?- Pour produire de la
chaleur et la transmettre des installations deau chaude, partir
dnergie fossile.ssPrenons le cas dune chaudire mixte, quipe dun
brleur.
1. GENERALITES
11. Dfinition
La combustion est une raction chimique doxydation
exothermique.
Combustible + Comburant
Produits de Combustion +Chaleur
Gaz ,bois... Air
CO2 , H2O, N2,
12. Nature et composition de lair comburant
Le comburant est lair atmosphrique dont la composition est la
suivante:
Oxygne:O2
Dioxyde de carbone:
CO2
Azote:
N2
Gaz rares:
Non, Krypton
En combustion, pour dterminer les quantits dair thoriques, on
utilise les pourcentages suivants:
% en Masse% en Volume
O22421
N27679
13. Caractristiques des combustibles
La composition gnrale des combustibles courants est donne
ci-dessous:
On distingueles combustibles suivants accompagns de leurs
compositions gnrales:
SOLIDELIQUIDEGAZ Hydrocarbures
ConstituantsC, H2O, CendresC; H2; SMlanges CnHm, N2, CO2
Combustibles courantsCharbons, Anthracites, BoisFioul
DomestiqueFiouls Lourds n1 et 2Gaz naturels, Butane et Propane
commerciaux, Air propan
Exemple: gaz naturel = CH4 majoritairement
Boissec : en moyenne 19% deau, 1% de cendres, 40% de Carbone, 5%
dHydrogne, 35% dAzote et dOxygne, mais la teneur en eau peut varier
de quelques pour cents.14. Produits de combustion (fumes)
Les produits de combustion (fumes) sont constitusde:
Principalement:
Eventuellement:
4.Oxyde de soufre SO2
1. Dioxyde de carbone:
CO2
5. Oxygne:
O2
6. Monoxyde de carbone:CO
2. Vapeur deau :
H2O
7. NOx:NO, NO2
3. Azote:
N2
8. Hydrogne libre: H2
9. Imbrls solides ou gazeux
La prsence et le pourcentage de ces constituants prsents dans
les produits de combustion permettront:
a) De dfinir le type de combustion
b) Denvisager les risques potentiels:- dasphyxie pour les
personnes
de corrosion du matriel (chaudire, conduit de fumes)
de pollutions atmosphriques
c) Daffiner les rglages du brleur et damliorer les
rendements.
Complments sur les NOx (Oxydes dazote)
Lazote de lair reste globalement neutre dans la combustion. Une
infime partie est oxyde.Ils ne sont pas pris en compte dans les
quations de combustion classique, mais sont lorigine des pluies
acides par formation dacide nitrique. Cest pourquoi des textes de
loi limitant les rejets de NOx existent selon le combustible et la
puissance.
15. Les diffrents types de combustion
Il ne suffit pas de mettre en prsence un combustible, de lair et
une tincelle pour raliser une bonne combustion: Selon la quantit
dair, les rglages de lappareil de combustion, la chemine, la
combustion sera de plus ou moins bonne qualit, c'est--dire:
- Sans produit toxique pour lhomme ou lenvironnement dans les
fumes
- Avec un bon rendement
Cest pour cette raison que lon tudie les diffrents types de
combustion
La combustion est complte si la totalit du combustible est
oxyde. A contrario elle est incomplte sil y a prsence de
combustible dans les fumes, ou si certains composants sont
partiellement oxyds (ex: CO)La combustion est dite stchiomtrique,
neutre ou thorique si lair comburant est en quantit suffisante et
strictement ncessaire la combustion complte de lunit de
combustible. Les fumes ne contiennent pas doxygne.
La combustion est oxydante ou en excs dair si une partie de lair
comburant est utilis pour loxydation du combustible, lautre partie
se retrouvant dans les fumes.
La combustion est dite rductrice ou en dfaut dair si le volume
dair admis pour la combustion de lunit de combustible est infrieur
au volume dair stchiomtrique; loxygne y est nanmoins totalement
utilis donc pas de prsence dO2 dans les fumes, mais il y a
formation de monoxyde de carbone (CO).
Sans entrer dans les formules chimiques de combustion, il est
indispensable de connatre les paramtres de combustion suivants:
- Les pouvoirs calorifiques des combustibles
2- Les Pouvoirs Calorifiques:
Le pouvoir calorifique dun combustible est la quantit de chaleur
dgage par la combustion complte, sous la pression atmosphrique
normale, de lunit de combustible, celui-ci ainsi que les produits
de combustion tant 0 C.
( Notation:PC
( Unit:[kJ/kg(n) de combustible] ou [kJ/m3(n) de
combustible]
( Remarque:(n) signifie que toutes les ractions se produisent
dans les conditions normales de temprature et de pression.
Le pouvoir calorifique est dit infrieur (PCI) quand leau
rsultant de la combustion de lhydrogne et des hydrocarbures est
suppose ltat de vapeur dans les produits de combustion.
Le pouvoir calorifique est suprieur (PCS) quand cette eau de
combustion est ramene ltat liquide dans les fumes.
Lv=2500 kJ/kg aux CNTPMasse deau contenue dans les fumes
Elle dpend de la quantit dhydrogne prsente dans le
combustible
Exemple: m(H2O) = 1,6 kg dans les fumes pour la combustion de 1
m3(n) de gaz naturelQuelques PCI/PCSGaz naturel: PCI et PCS
denviron 10.2 kWh / m3(n) et 11.3 kWh / m3(n)Fioul domestique: PCI
et PCS denviron 10 kWh / l(n) et 11 kWh / l(n)3. LA COMBUSTION
REELLE
31. Dfinition
La combustion stchiomtrique est la base des calculs thoriques en
combustion. Les analyses ralises ou les rsultats fournis dune
combustion relle, dun combustible de composition connue, vont
permettre de la dfinir prcisment, par comparaison avec les rsultats
de la combustion neutre. Ainsi, par rapport la thorie, on pourra
dfinir:
La combustion en excs dair
La combustion en dfaut dair
En pratique, cest lanalyse des fumes sur site qui donnera les
renseignements techniques ncessaires la dfinition de la combustion
relle.
32. La combustion en excs dair
On parlera de combustion en excs dair chaque fois que lon
dtectera la prsence doxygne dans les produits de combustion. Lexcs
dair peut rsulter soit dun rglage du volet dair au niveau du brleur
(brleur air souffl), soit dune impossibilit rgler larrive dair
(brleur atmosphrique). Cet excs dair est indispensable pour une
combustion complte
Lair en excs impliquera:
une augmentation des pertes par les fumes,
une diminution du rendement de la chaudire.
Ainsi cette augmentation entranera un accroissement des dpenses
nergtiques sur une saison de chauffe (consommation de combustible
plus importante), qui restent non ngligeables mme pour de petites
puissances de chaudires.
On caractrise lair en excs par le facteur dair Fa ou taux
daration n en utilisant la relation suivante:
soit
Avec:Va: Pouvoir comburivore
[m3(n) dair / unit de combustible]
VEA: Volume dair en excs
[m3(n) dair en excs / unit de combustible]
Nota:Gnralement n est fourni par les relevs raliss sur site
laide danalyseurs de fumes.
Pourcentage dexcsdair EA%:EA% = (n-1)*10033. Le Diagramme
dOSTWALD
Pour caractriser facilement la qualit de la combustion dune
installation, on mesure les taux ( CO2 et ( O2 dans les fumes,
laide dun analyseur de fumes.
Ensuite, le diagramme permet dobtenir en fonction du ( CO2 mesur
et du ( O2 mesur:1. Le type de combustion relle
2. Le % dexcs dair ou de dfaut dair
3. Le ( CO (sil y a lieu)
Il est dfini pour un combustible donn, laxe des abscisses
reprsente le ( O2 et celui des ordonnes reprsente le ( CO2. Il
comporte en gnral:
La droite des combustions oxydantes (( CO = 0%) gradue en excs
dair,
Une graduation en dfaut dair sur laxe vertical (( O20%),
Le point reprsentatif de la combustion neutre (( O2=0% et ( CO =
0%) pour ( CO2max,
Les droites dgale teneur en CO (( CO = cte) parallle la droite
des combustions oxydantes,
Les droites dgal excs ou dfaut dair
Les diagrammes dOSTWALD sont applicables tous les combustibles,
ils sont insensibles aux teneurs en eau et en cendres des
combustibles solides, mais ne sont plus utilisables si la teneur en
imbrls solides dpasse 3%. Les diagrammes pratiques sont limits leur
partie utile ((O2