Notions de combustion

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1 Objectifs: 3-3: contrôle des paramètres de combustion, 3-4: détection des anomalies, S4-3 : phénomènes chimiques Le raisonnement utilisé ci-après peut être exploité pour toutes les énergies contenant massivement de l hydrogène et du carbone, comme le gaz, le bois, le charbon, le fioul. Il faut analyser les gaz brûlés avec un appareil adapté, de façon à parfaire le réglage du brûleur, pour que : Le rendement soit maximum (on récupère le maximum de chaleur dans la chaudière), On préserve l environnement (on évite les rejets toxiques) respect des normes (en matière de sécurité et pollution). Un brûleur est un appareil qui permet de transformer une matière combustible en HALEUR par une réaction chimique. HALEUR d ALLUMAGE Si vous enlevez un seul de ces trois éléments, la combustion est impossible. FEU OMBURANT OMBUSTIBLE I. Exemple dans le cas du FOD. I.1. onstitution du F.O.D. (sinon Fioul Lourd). F.O.D. : une des nombreuses substances tirées du pétrole. omposé d Hydrogène et de arbone: c est un hydrocarbure. 100,00% 80,00% 60,00% 40,00% 20,00% 0,00% H 2 S H 2 O, boues O 2, N 2 arbone 86% Hydrogène 13% Soufre 0,2% Sédiments divers 0,1% Oxygène et Azote dissous 2,8% 0,7% I.2. onstitution de l air. 100,00% 50,00% 0,00% N 2 O 2 Néon, krypton, xénon,... Azote 78,2% Oxygène 20,8% Gaz rares 1% 1 / 6

2 I.3. ombinaison de l air et du Fioul. i-contre, une chaudière à.. PAROURS de fumées 1 Kg Température DEPART Température RETOUR GAZ BRULES 11.6m 3 Les rejets idéaux : - auraient la même température que l air de combustion (la chaudière récupérerait toute la chaleur de la combustion), - seraient inoffensifs pour l environnement m 3 On peut écrire : + HALEUR REUPEREE + GAZ BRULES II. omposition des gaz brûlés. L atome d oxygène est un atome très sympathique. Par exemple, le cas de l oxydation du fer : (Oxyde Ferreux) Fe + O O Fe + HALEUR Fe + O FeO + HALEUR Brûler un hydrocarbure = réaction avec de l oxygène. est une oxydation du combustible qui dégage de la chaleur. Pour le F.O.D. : le arbone, l Hydrogène et le Soufre réagiront, Pour l air, seul l Oxygène réagira (l Azote réagit peu, mais soumis à de fortes chaleurs, il se combine à l Oxygène pour former des NOx (Protoxydes d azote)). II.1. as de la combustion parfaite. as du arbone : + O O O O + HALEUR + O 2 O 2 + HALEUR 2 / 6

3 H H O H O H as de l Hydrogène : HALEUR as du Soufre : H H 2 + O 2 + H 2 H 2 O + H 2 O + HALEUR S O + O O O S O + HALEUR S + O 2 SO 2 + HALEUR ONLUSION : - plus le % de O 2 est élevé, meilleure est la combustion, pour le F.O.D., le taux de O 2 maximal théorique = 15,6 %. Pour le GN, O2 max. 11,7 %, pour le Butane/Propane, O2 max. 14 %. - la combustion stoechiométrique est irréalisable en pratique. II.2. as de la combustion avec manque d air. H H O H Dans ce type de combustion, les équations concernant l Hydrogène et le Soufre ne changent pas : ces composés brûlent totalement. Par contre, il ne restera PLUS ASSEZ d Oxygène pour brûler totalement le arbone. L équation concernant le arbone deviendra alors, dans le meilleur des cas : + + O O O O + + HALEUR + + O 2 O HALEUR Au pire des cas, on aura : + + O O O + O + HALEUR + + O 2 O + O + HALEUR ONLUSION : - combustion en manque d air = DANGER d intoxication au monoxyde de carbone, - baisse de rendement, - pollution. IL FAUT A TOUT PRIX EVITER LA OMBUSTION EN MANQUE D, car il y a DANGER DE MORT! Le O est un poison inodore, indolore et mortel à de très faibles doses (voir graphiques ci-joints). 3 / 6

4 II.3. as de la combustion avec excès d air. Dans la pratique, c est ce type de combustion qu il faut avoir : on s arrange pour ramener plus d air qu il n en faut, afin d être sûr de produire un minimum de suie ou de O. Exemple : + 2H + 3O 2 H 2 O + O 2 + 3O + chaleur Il ne faut cependant pas avoir un excès d air trop important, car l air de combustion refroidit la flamme (si la flamme peut atteindre 1400, l air de combustion à environ 20 (selon la température de la chaufferie). On a donc baisse de rendement (on dilue le O2 dans un volume de gaz brûlés plus élevé, donc baisse du taux de O2). On notera l excès d air λ (facteur d air par rapport à la combustion stoechiométrique). En pratique : - pour le Fioul : λ = 1.05 à pour le gaz : λ = 1.05 à pour le charbon : λ = 1.05 à 1.15 DIFFERENTS AS DE FIGURE : 1 er AS : combustion stoechiométrique Taux de O 2 GAZ BRULES + 0 % d excès d air Taux de O 2 = 15,5 % Très faible perte d énergie La combustion stoechiométrique (mélange parfait et combustion parfaite) est impossible à réaliser dans la pratique! 4 / 6

5 2 ème AS : combustion avec 10% d excès d air Taux de O 2 GAZ BRULES + 10 % d excès d air Taux de O 2 = 14 % Faible perte d énergie 3ème AS : combustion avec 50% d excès d air Taux de O 2 GAZ BRULES + 50 % d excès d air Taux de O 2 = 10 % Perte d énergie élevée ONLUSION : - en pratique, la combustion la plus efficace est donc la combustion avec excès d air. Les émissions polluantes sont réduites, - on a tout de même une baisse du rendement par rapport à la combustion parfaite. - la teneur en O2 des fumées donnera une indication permettant d évaluer le facteur d air du brûleur. - en général, 11% Taux de 02 réglé 14%, selon le type, l énergie utilisée et la puissance du brûleur. 5 / 6

6 III. Quelques valeurs pratiques (indicatives). Paramètres de la combustion ombustibles Gaz naturel O2 en % O2 En % Excès d air En % O En ppm Indice de noircissement (Bacharach) - petite puissance à 50 / - moy. puissance à 50 / Propane à 50 / Butane à 50 / Fuel domestique - petite puissance / 0 à 1 - moy. puissance 13 à à 2 20 à 10 / 0 à 1 Fuel lourd n 2 11 à 12 6 à 5 40 à 30 / 1 à 3 Températures des fumées : - chaudière de 25 ans et plus 250 à chaudière de 15 à 25 ans 200 à chaudières de moins de 15 ans - à haut rendement 150 à à condensation 55 à chaudières à vapeur 250 à 350 Tirage d une cheminée : Dépression = 0.5 à 2 mme = 0,05 à 0,2 mbar 6 / 6