Combustion & Combustibles

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1 1- GENERALITES La combustion est une réaction chimique d oxydation d un combustible par un comburant. Les produits de combustion s appellent aussi gaz brûlés ou fumées. La combustion fournit de l énergie calorifique et émet généralement de la lumière. Le développement de la société industrielle moderne et la sauvegarde de l'environnement se fondent sur la maîtrise de cette réaction de combustion. Dans un phénomène de combustion, les corps en présence sont les suivants sont les suivants: - le combustible - le comburant (Aire, Oxygène) - le produit de combustion (fumées) Les combustibles sont des corps susceptibles de se combiner à l oxygène par une réaction d oxydation exothermique. L oxydation doit être assez vive pour se poursuivre normalement après amorçage. 2- LES COMBUSTIBLES Trois catégories de combustibles : Combustibles solides Combustibles liquides Combustibles gazeux Cependant, quelle que soit la nature du combustible, la réaction de combustion proprement dite ne peut avoir lieu que lorsque les réactifs sont sous forme gazeuse. Si le combustible n'est pas à l'état gazeux, il se vaporise ou se sublime préalablement (éventuellement après décomposition chimique) Les combustibles solides Tous les combustibles solides sont d'origine végétale à l exception des propergols (carburants pour fusées). L'uranium et les autres corps radioactifs, qui produisent de l'énergie par fission nucléaire, ne sont pas des combustibles au sens précis du terme car, lors de leur utilisation, ils ne participent à aucune réaction de combustion Le bois Encore largement utilisé dans le monde sous sa forme brute, le bois est par ailleurs un des facteurs de la désertification surtout dans les zones subsahariennes. Le bois peut contenir de 50% (bois vert) à 20% (bois sec) d humidité et jusqu à 1,5% de cendres. Les caractéristiques moyennes du bois sec et sans cendre sont rassemblées dans le tableau ci-dessous : Ip : Pouvoir calorifique inférieur Le charbon Il désigne les combustibles solides résultant de la décomposition et de la fossilisation de la végétation. Selon leur degré d'évolution, et leur teneur en carbone et en eau, on distingue : la tourbe, le lignite, la houille et l'anthracite. La tourbe : 1

2 - C est une matière spongieuse très humide et au pouvoir calorifique peu élevé (mauvais combustible). - C est une matière organique fossile formée par accumulation sur de longues périodes de temps de matière organique morte, essentiellement des végétaux, dans un milieu saturé en eau (plus de 75%). Le lignite : - Le lignite est une roche sédimentaire composée de restes fossiles de plantes (vient de Lignine). C'est une roche intermédiaire entre la tourbe et la houille. - Le lignite est un charbon composé de 65 à 75 % de carbone. - Il est utilisé pour le chauffage et pour produire de l'électricité. - Le lignite à l'état naturel contient un grand pourcentage d'eau (50 %). Il est broyé et séché de façon à réduire la teneur en eau à environ 11 %. - Le risque d'auto-inflammation est très élevé en raison des volatils contenus dans le lignite Il est utilisé sous forme de briquettes obtenues par compression à chaud. La houille - La houille est une roche carbonée sédimentaire correspondant à une qualité spécifique de charbon, intermédiaire entre le lignite et l'anthracite (soit 80 à 90 % de carbone). - De couleur noirâtre, elle provient de la carbonisation d'organismes végétaux et peut donc servir de combustible fossile. - Elle est utilisée depuis le 11e siècle et son extraction dans les mines a rendu possible la révolution industrielle au 19e siècle. - L'appellation courante de charbon désigne généralement la houille. - De faible humidité et bon Pouvoir calorifique. 2

3 L'anthracite - L'anthracite est une roche sédimentaire d'origine organique. - C'est une variété de charbon grise, noirâtre et brillante extraite des mines. - L'anthracite a été exploité en priorité au cours des 19e et 20e siècles. Sa densité réelle est de l'ordre de 1,45 à 1,75 - C est le meilleur combustible à haut pouvoir calorifique et sans humidité Tout combustible solide contient de la matière organique (C, H, O), peu ou pas de soufre, de l azote, des minéraux (cendres) et de l eau en général en quantité non négligeable. Pour des charbons purs secs et sans cendre: Pp : Pouvoir calorifique supérieur Autres déchets Parmi ces déchets, on distingue: Déchets ménagers: - Leurs constitution est très variable, - Leur PCI est en général très faible (5 à 8 MJ/kg ). - Leur humidité est très forte (30 à 40%). - Ils nécessitent souvent l utilisation d un combustible d appoint. Déchets industriels: - Leurs caractéristiques sont plus variables. - Ils sont constitués pour l essentiel de papiers et de cartons qui sont proches du bois et de plastiques, d huiles et de solvants qui se rapprochent des caractéristiques des hydrocarbures. 3

4 - Ip=15 à 40 MJ/kg 2-2- Les combustibles liquides Les combustibles liquides, voire gazeux, proviennent généralement du pétrole, qui est un mélange d'hydrocarbures, c'est-à-dire de composés à base de carbone C et d'hydrogène H, auxquels s'ajoutent essentiellement du soufre S, de l'oxygène O et de l'azote N Hydrocarbures pétroliers - le pétrole est Beaucoup plus ancien que les charbons, - il est le résultat de la décomposition des microorganismes des mers primitives. - la teneur en soufre naturelle (gaz ou liquide) est importante. Ils doivent être désoufrés. a- Produits de distillation : Les hydrocarbures pétroliers de distillation sont plus ou moins volatils selon la température de distillation. Cela ira du Gaz de Pétrole Liquéfié (GPL : mélange butane 65% propane 35%) jusqu aux fuels lourds pour ce qui concerne les combustibles et d autres produits plus lourds tel que paraffine ou goudron Ma : Pouvoir comburivore massique d : Densité Ip : PCI BTS: Basse Teneur en Soufre FOD: Fuel Oil Domestique (Mazout) b- Gaz naturel Comme tous les combustibles fossiles bruts, le GN voit ses propriétés varier fortement avec sa provenance. Il contient essentiellement du méthane, de l éthane, du propane et des traces de butane en proportions variables. Caractéristiques moyennes du GN : PCS PCI Densité Pouvoir comburivore ,6 10,3 4

5 Les alcools - Ils constituent de très bons carburants de substitution pour moteurs à allumage commandé. - Ils ont de faibles pouvoirs comburivores. MTBE: méthyl tert-butyl éther ETBE: éther éthyle tertiobutyle Huiles végétales et diester (biocarburant) Ce sont les carburants de substitution pour moteurs diesels. Elles ont de mauvaises caractéristiques (viscosité et température d écoulement élevée, ), on préfère utiliser ces huiles sous forme diester dont les caractéristiques sont voisines de celles du gazoil. Le diester est une huile végétale transformée par réaction d un acide ou d une base en présence d un catalyseur. C % H % O % Ip MJ/kg Ma kg/kg Colza 77,9 11,7 14,7 37,4 12,33 3- LES COMBURANTS Dans la plupart des cas le comburant est l air qui comprend principalement de l oxygène, de l azote, de la vapeur d eau et du CO2 D autres corps chimiques, tels que protoxyde d azote, fluor ou chlore, peuvent intervenir comme oxydants dans des applications spécifiques. La composition moyenne de l air atmosphérique est la suivante : Azote N2: 78,084 % ; Oxygène O2: 20,9476 % ; Argon Ar: 0,934 % Gaz carbonique CO2: 0,0314 %; Néon Ne : 0, %. 4- LA COMBUSTION La combustion se produit lorsque l on mélange un comburant avec un carburant et une source de chaleur Combustion stoechiométrique On dit que la combustion est parfaite lorsque la quantité exacte d oxygène correspond à la combustion complète du combustible, c est une combustion Stoechiométrique. Le dégagement de chaleur est alors maximum. 5

6 Combustion parfaite ou stoechiométrique de deux combustibles fossiles: Nous remarquons que l azote, gaz neutre, ne réagit pas ou peu avec les autres composants du mélange. Exemple : C + 2 O 2 CO 2 + O 2 il y a trop d oxygène 2 C + O 2 CO 2 + C il y a trop de carbone C + O 2 CO 2 la réaction est stœchiométrique 4-2- Combustion incomplète: Lorsque la combustion se fait avec une arrivée d oxygène insuffisante, on parle de combustion incomplète. Elle se traduit par la production d imbrulés ou d éléments partiellement oxydés comme le monoxyde de carbone (CO), très dangereux pour la santé. Le CO est un gaz très dangereux : il est inodore, il passe dans le sang, se fixe sur l'hémoglobine à la place de l'oxygène et empêche le transport de celui-ci jusqu'aux cellules. Une teneur de 0,2 % de CO dans l'air entraîne la mort en moins de 30 minutes. Combustion incomplète de deux combustibles fossiles 6

7 4-3- Combustion complète oxydante (avec excès d air) Lorsque la combustion se fait avec un excès d oxygène, la combustion est alors complète mais oxydante. Celle-ci se traduit par un fort excès d oxygène et d azote dans le produit de combustion. Dans la pratique il est très difficile d obtenir la quantité stoechimétrique pour une combustion parfaite, alors on ajoute un léger excès d air pour s assurer que toutes les molécules de combustible soient bien en contact avec l'oxygène. En effet, il faut prévoir que certaines molécules d'oxygène vont traverser le foyer sans se lier au combustible. Alors qu il faut éviter d'avoir des zones, des poches, où le processus de combustion viendrait à manquer localement d'oxygène. On travaille donc avec un excès d'air «comburant» qui s'élève par exemple pour la combustion du fuel à environ 20 % Combustion complète oxydante de deux combustibles fossiles 4-4- Le dioxyde de carbone CO 2 Le dioxyde de carbone ou CO 2 est naturellement présent dans l atmosphère terrestre. Les nombreux systèmes énergétiques à combustion (chaudières, voitures...) rejettent une quantité inquiétante de CO 2 dans l atmosphère. C est un gaz à effet de serre, car il retient la ré-émission de l énergie thermique vers l'espace, reçue au sol sous l'effet du rayonnement solaire. Le CO 2 est principalement lié à l'utilisation des combustibles fossiles, elle-même liée à l'activité économique. Ordres de grandeur du CO 2 (dioxyde de carbone) et du H 2 O (vapeur d eau), produits lors de la combustion par des combustibles fossiles: 7

8 4-5- 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 : - 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 5- EQUATIONS DE LA COMBUSTION La combustion du carbone C, de l hydrogène H et du soufre S donne lieu aux équations chimiques de base suivantes : Combustion du carbone C C + O 2 CO kj C + ½ O 2 CO kj CO + ½ O 2 CO kj Combustion de l hydrogène H Chaleur de combustion (Appelée par les chimistes: Chaleur de réaction ou enthalpie de réaction) H 2 + ½ O 2 H 2 O liq kj H 2 + ½ O 2 H 2 O vap kj Combustion du soufre S S + O 2 SO kj Remarques 1- Une combustion est complète quand les produits de combustion sont eux-mêmes incombustibles, tels que le bioxyde de carbone CO 2 et l eau H 2 O La réaction CO + ½ O 2 CO 2 est donc incomplète puisqu elle produit de l oxyde de carbone CO, lui-même combustible. 8

9 2- On remarque que la chaleur dégagée par une combustion complète est la même que celle dégagée par combustion indirecte (ou par étages): C + O 2 CO kj C + ½ O 2 CO kj CO + ½ O 2 CO kj 111 kj kj = 400 kj 6- POUVOIR ENERGETIQUE OU CALORIFIQUE PC C est la chaleur dégagée par la combustion complète de 1 Kg, ou 1 m3 de combustible aux conditions normales (kj/kg = j/g ou kj/m3). Unités du Pouvoir calorifique 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/m 3 pour les gaz. J/g Kcal/kg kwh/tonne J/g 1 0,24 0,278 Kcal/kg 4,18 1 1,161 kwh/tonne 3,6 0,86 1 Remarque: 1cal=4,18 J 1 kwh=3600 kj = 861 kcal Calcul du pouvoir calorifique de l hydrogène H H 2 + ½ O 2 H 2 O liq kj La réaction signifie qu une mole d hydrogène, de volume 22.4 litres, de masse 2 grammes, dégage en brûlant complètement une chaleur de 288 kj. Son pouvoir calorifique PC est: (288 x 1000) / 2 = kj/kg Ou bien: 288 x 1000) / 22.4 = kj/m3 9

10 Pouvoir calorifique du carbone C C + O 2 CO kj PC = (400 x 1000) / 12 = kj/kg C + ½ O 2 CO kj PC = (111 x 1000) / 12 = kj/kg CO + ½ O 2 CO kj PC = (289 x 1000) / 28 = kj/kg Pouvoir calorifique de l hydrogène H H 2 + ½ O 2 H 2 O liq kj PC = (288x1000)/2 = kj/kg H 2 + ½ O 2 H 2 O vap kj PC = (242x1000)/2 = kj/kg Pouvoir calorifique du soufre S S + O 2 SO kj PC = (297x1000)/32 = kj/kg 6-1- Pouvoir calorifique molaire (j/mol) Les grandeurs molaires et massiques sont reliées par M la masse molaire du combustible (kg/mol) : PC molaire = M. PC massique PC massique PC molaire C + O 2 CO kj kj/kg j/mol C + ½ O 2 CO kj kj/kg j/mol CO + ½ O 2 CO kj kj/kg j/mol H 2 + ½ O 2 H 2 O liq kj kj/kg j/mol H 2 + ½ O 2 H 2 O vap kj kj/kg j/mol S + O 2 SO kj kj/kg j/mol La combustion des hydrocarbures ۱ ܖ ۶ ܕ La combustion des hydrocarbures donne lieu à des équations chimiques plus complexes dont voici quelques exemples: Méthane CH 4 : CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O liq PC = J/mol CH 4 CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O vap PC = J/mol CH 4 Ethylène C 2 H 4 : 10

11 C 2 H 4 + 3O 2 2CO 2 + 2H 2 O liq PC = J/mol C 2 H 4 C 2 H 4 + 3O 2 2CO 2 + 2H 2 O vap PC = J/mol C 2 H 4 Ethane C 2 H 6 : C 2 H 6 + 7/2 O 2 2CO 2 + 3H 2 O liq PC = J/mol C2H6 C 2 H 6 + 7/2 O 2 2CO 2 + 3H 2 O vap PC = J/mol C2 H6 Remarque Le pouvoir énergétique d un hydrocarbure peut se calculer à partir de ceux des éléments de base C et H 2. Mais il ne peut pas être calculé simplement par la règle des mélanges, car il faut tenir compte de la chaleur de formation de l hydrocarbure. Exemple : Pour le méthane CH4, les équations élémentaires donnent : C + O 2 CO 2 PC = j/mol H 2 + ½ O 2 H 2 O vap PC = j/mol C 1 x = J/mol de C H 4 2 x = J/mol de H 2 Ce qui donne pour le méthane : = J/mol CH 4 Or: Méthane CH 4 : CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O vap PC = J/mol CH 4 La différence ( = ) j/mol représente la chaleur de formation de CH 4 Attention! Une simple règle de mélange conduit à une erreur de 9,3 %. Exercice: Calculer le pouvoir énergétique pour l éthylène C2H4 en considérant les éléments de base. Calculer l erreur induite. Exercice: Calculer le pouvoir énergétique pour l éthane C2H6 en considérant induite. les éléments de base. Calculer l erreur 6-1- Pouvoir calorifique à volume constant Le pouvoir calorifique à volume constant PCv d un combustible B est la grandeur définie par la relation (sous forme massique ou molaire) : ௩ = = ܥ 11

12 = P0 : Energie interne du mélange initial M dans les conditions de référence P0 et T0 (valeurs standards : 1 atm 1,01325 bar = Pas et T0 = 25 C). : Energie interne des produits finaux de combustion résultant d une combustion complète dans les mêmes conditions de référence. kg. : Masse du combustible B en 6-2- Pouvoir calorifique à pression constante Le pouvoir énergétique à pression constante PCp d un combustible B est la grandeur définie par la relation (sous forme massique ou molaire) : ܪ ܪ = = h ܥ ). standards : Enthalpie du mélange initial M dans les conditions de référence P0 et T0 (valeurs : Enthalpie des produits finaux de combustion résultant d une combustion complète dans les mêmes conditions de référence. kg. : Masse du combustible B en 6-3- Relation entre le Pouvoir calorifique à volume constant et le Pouvoir calorifique à pression constante H 0 = H M0 H RC0 = (U M0 P 0 V M0 ) (U RC0 + P 0 V RC0 ) = U 0 (V RC0 V M0 )P 0 = U 0 (V RC0 V M0 )P 0 Ou bien : U 0 = H 0 + P 0 V Or : PC p = H 0 /m B et PC v = - U 0 /m B Donc : PC v - PC p = P 0 V Remarque : - La définition du pouvoir calorifique à volume constant ne correspond pas aux combustions industrielles qui ont lieu à pression constante - C est le pouvoir calorifique à pression constante qui correspond aux conditions réelles des combustions industrielles Pouvoirs calorifique supérieur PCS et inférieur PCI Calcul du pouvoir calorifique de l hydrogène H 12

13 H 2 + ½ O 2 H 2 O liq kj PC = (288x1000)/2 = kj/kg (massique) Ou : PC = (288x1000)/22.4 = kj/m3 (volumique) Liquide Pouvoir calorifique Supérieur PCS Dans ce calcul, nous avons supposé l eau des fumées à l état liquide, mais en réalité, elle y figure toujours sous forme de vapeur. La chaleur réellement dégagée par La combustion de l hydrogène doit être diminuée des calories nécessaires à la vaporisation de l eau. 1 mole d Hydrogène produit 1 mole d eau pesant: = 18 g Si la chaleur de vaporisation de l eau est prise égale à: 2555 kj/kg 1 Kg d Hydrogène produit en brûlant 9 Kg d eau qui nécessitent pour se vaporiser Une quantité de chaleur: 2555 x 9 = kj/kg ( ) = kj/kg Pouvoir Calorifique Inférieur PCI DONC: Le pouvoir calorifique inférieur PCI se calcule en déduisant du PCS la chaleur de vaporisation de l eau formée au cours de la combustion et éventuellement de l eau contenue dans le combustible. PCI = PCS - Chaleur latente de vaporisation Remarque : 1- Parmi les quatre pouvoirs énergétiques : - A volume constant, - A pression constante, - Supérieur - Inférieur Dans la pratique, c est le pouvoir énergétique inférieur à pression constante qui est le plus utilisé. Ceci est dû au fait que les combustions qui ont lieu dans les machines thermiques se font généralement en systèmes ouverts fonctionnant en régime permanent (pression sensiblement constante) et l eau qui apparaît dans les gaz de combustion est à l état vapeur et reste dans cet état dans l atmosphère. 2- Les corps non hydrogénés, comme le carbone ou l oxyde de carbone, n ont qu un seul Pouvoir calorifique PCI = PCS Exemple : Soit un mazoute ayant une teneur de en hydrogène de 11% en masse. Chaleur latente de vaporisation de l eau est 2555 kj/kg PCS = kj/kg PCI =? Différence en %? Lors de la combustion de 1 kg de mazoute, il apparaît: 13

14 (18/2) x0.11 =0.99 kg de vapeur d eau. on a donc: PCI = PCS x 0.99 = PCS PCI = kj/kg Différence = (2530/42000) x 100 = 6% Calcul du PCS et PCI en kj/m3 (cas des gaz) H 2 + ½ O 2 H 2 O liq kj Une mole d hydrogène, de volume 22.4 litres, dégage en brûlant complètement une chaleur de 288 kj. PCS = (288x1000)/22.4 = kj/m3 Chaleur latente de vaporisation de l eau est 2400 kj/kg (2400 x 18)/22.4 = 1928 kj/m3 PCI = PCS 1928= = kj/m3 Quelques Valeurs moyennes de PCI et PCS Combustible Etat PCS (kj/mol) PCI (kj/mol) C Graphite Solide 293,5 393,5 CO Mono. Carbone Gaz 283,0 283,0 H 2 Hydrogène Gaz 285,9 241,8 S Soufre Solide 296,6 296,6 CH 4 Méthane Gaz 890,4 802,2 C 2 H 2 Acétylène Gaz 1300,0 1255,9 C 2 H 4 Ethylène Gaz 1411,0 1322,8 C 2 H 6 Ethane Gaz 1560,0 1427,7 CH 3 OH Méthanol Liquide 727,6 639,4 Chaleur latente de vaporisation de l eau = 2450 kj/kg Masse molaire de l eau = 18 g/mol H 2 (2450 x 18)/1000 = 44.1 kj/mol PCI = PCS 44.1 = = kj/mol CH 4 (2450 x 18) x2/1000 = 88.2 kj/mol PCI = PCS 88.2 = = kj/mol 14

15 C 2 H 2 (2450 x 18) /1000 = 44.1 kj/mol PCI = PCS 44.1 = = kj/mol C 2 H 4 (2450 x 18) x2/1000 = 88.2 kj/mol PCI = PCS 88.2 = = kj/mol C 2 H 6 (2450 x 18) x3/1000 = kj/mol PCI = PCS = = kj/mol CH 3 OH (2450 x 18) x2/1000 = 88.2 kj/mol PCI = PCS 88.2 = = kj/mol Exercice Soit un gaz naturel ayant une teneur en hydrogène de 10%. PCI = (kj/mol)? Différence en % Pouvoir calorifique des mélanges PC = ݔ ܥ avec : PC m pouvoir calorifique du mélange, PC i pouvoir calorifique des constituants x i fraction massique de chaque constituant. Exemple : Soit un gaz contenant: 14 % de CO 2, 10 % de CO, 30 % de H 2, 40 % de CH 4, 6% de N 2 Son pouvoir calorifique supérieur: Son pouvoir calorifique inférieur: Différence en pourcentage PCS (kj/mol) PCI (kj/mol) CO 283,0 283,0 H2 285,9 241,8 CH 4 890,4 802,3 Pouvoir calorifique supérieur PCS du mélange: 0.1 x x x = kj/mol 15

16 Son pouvoir calorifique inférieur PCI du mélange: 0.1 x x x 802. = kj/mol Différence en pourcentage: ( )*100/ = 10.3 % 7- POUVOIR COMBURIVORE D UN COMBUSTIBLE 7-1- Pouvoir comburivore molaire, volumique et massique Le pouvoir comburivore est le rapport : quantité de comburant sur quantité de combustible à la stoechiométrie. Il peut, selon le cas, être exprimé en moles PCOn, en volume PCOv ou en masse PCm. Lorsqu'il s'agit de combustibles gazeux, on préfère l'exprimer en volume. par contre pour les combustibles liquides ou solides, on l'exprime en masse. = ቀ ቁ = ቀ ቁ = ቀ ቁ Or : = V. et = V. Où V est le volume molaire. Or toutes les molécules gazeuses occupent le même volume, donc: = 7-2- Relation entre le Pouvoir comburivore massique et le Pouvoir comburivore molaire = ൬ ൰. = et. = : Or M a et M c sont les masses molaires de l air et du combustible respectivement. = ቀ. =ቁ ቀ ቁቀ ቁ. ቀ = ቁ Cas de la combustion d un hydrocarbure simple dans l oxygène : Envisageons la combustion complète d'un hydrocarbure de formule chimique fictive CxHy dans l'oxygène: CxHy. + O 2 CO 2 + H 2 O Equilibrons l équation: CxHy. + (x + y/4) O2 x CO2 + (y/2) H2O La composition molaire du mélange stoechiométrique est donc de : 16

17 une molécule de CxHy pour (x + y/4) molécules d'oxygène. Pouvoirs comburivores : = ൬ = ൰ + = =. ቀ = ቁ. + ቀ = ቁቀ ቁ + ቀ = ቁ. ቀ ቁ Cas de la combustion d un hydrocarbure dans l air : La plupart des combustions qui nous intéressent sont des combustions d'hydrocarbures dans l air. La composition moyenne de l air atmosphérique est: Azote N2: 78,084 % ; Oxygène O2: 20,9476 % ; Argon Ar: 0,934 % Gaz carbonique CO2: 0,0314 %; Néon Ne : 0, %. En combustion on assimile les gaz neutres à l azote. La composition simplifiée de l air sera donc: Azote N2: 79 % ; Oxygène O2: 21 % ; ce qui fait donc: 3,77 (=0,79/0,21) moles d azote N2 01 mole d oxygène O2 et: 4,77 moles d Air Et la masse molaire de l air sera donc de: 28x0,79 (N2) + 32x0,21 (O2) = 28,84 g/mol L'azote ne réagit pas ou peu avec les autres composants du mélange donc on le retrouve intégralement dans les produits de combustion. L équation chimique devient dans ce cas : CxHy+ (O 2 + 3,77 N 2 ) CO 2 + H 2 O + N 2 Equilibrons l équation: CxHy + (x+ y/4) (O N 2 ) xco 2 + (y/2) H 2 O + 3,77 (x +y/4)n 2 Pouvoirs comburivores 17

18 ቁ + ૠૠቀ =, =. ቀ = ቁ =, + ૠૠቀ ቁቀૡ,ૡ ቁ = ૠ, ૠ൬ ൰ =, ൬ ൰ Exercice Pouvoirs comburivores ܖ ۱ et ܕ ۱ des ܖ Alcanes ۱ ۶ (ܖ ) Pouvoirs comburivores ܖ ۱ et ܕ ۱ de: - Méthane ۱۶ - Acétylène ۱ ۶ - Ethylène ۱ ۶ - Ethane ۱ ۶ Cas de de mélanges complexes (essence, gaz-oil, alcool ) : On utilise les teneurs pondérales c, h, (titres massiques des substances élémentaires C, H,.) = = = Carbone: =. (M: Masse molaire du combustible ) =. = = = Hydrogène: ) + = ۻ) On aura donc dans le cas d un combustible CxHy = ૠ, ૠ൬ ൰. ( /.) = ૠ, ૠቆ ቁ + / ૠቀ = ૠ, ቇ Généralisation au cas des alcools et des carburants soufrés ou azotés: - Le soufre (MS=32) consomme de l oxygène pour donner SO2, - (L oxygène contenu dans le carburant n est pas soutiré du comburant MO2= 32) - L azote contenu dans le carburant est neutre, = ૠ. ૠቀ + + ቁ 18

19 Exemple: - Essence : c=84% h=16% ቁ = ૠ. ૠቀ.ૡ + = ૠ. ૠቀ +. / ቁ=. - Gaz-oil ou fuel domestique : c=85%, h=15% (autre<0,3%) = ૠ. ૠቀ.ૡ +. /. ቁ= - Fuel lourd: c=85,9% h=10,5% s=3% n=0,24 o=0,36% = ૠ. ૠቀ.ૡ / ቁ=. - Méthanol CH 3 OH : c=12/32=37,5%, h=4/32=12,5%, o=16/32=50% = ૠ. ૠቀ.ૠ +.. / ቁ =. - Ethanol C2H5OH : c=24/46=52%, h=6/46=13%, o=16/46=35% = ૠ. ૠቀ. +.. / ૡ. ቁ= 7-3- La richesse R, le facteur d air l et le coefficient d excès d air e: Pour un mélange quelconque, on définit la richesse R et le facteur d'air du mélange l : = ቀ é ቁ ቀ ቁ = é ቁ ቀ ቀ ቁ é ቁ ቀ = = ቀ ቁ é ቁ ቀ = = = ቀ é ቁ = ቀ é ቁ On dit qu un mélange est riche ou pauvre si le carburant est en excès ou en défaut par rapport à la stoechiométrie. d air. est appelé excès = Exemples - Moteurs Diesel et réacteurs d avion: Mélange pauvre (λ = 0,10 à 0,80) - Moteurs essence selon les technologies: Mélange riche, stoechiométrique ou pauvre (λ = 0,98 à 1,02). - Moteur HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition): Mélange pauvre (λ = 0,5). : 1) = ) Mélange stoechiométrique ( / + ) ૠૠ +, ( /) + ) ૠૠ +, )( / + ) + 19

20 : 1) ) Mélange réel ቁ + ૠૠቀ +, ( ቁ( + ቀ + ቁ ቀ + ) ૠૠ +, ) ቁ + ቀ + 8- POUVOIR FUMIGENE C est la quantité de fumées issues la combustion stoechiométrique de l unité de quantité de combustible. (m3 de fumées / m3 de combustible) Pouvoir fumigène humide VFH: L eau produite par la combustion est à l état de vapeur (c est le volume qui est réellement évacué). Pouvoir fumigène sec VFS: l eau produite par la combustion est supposée condensée et on ne tient compte que du volume des corps gazeux Exemple : Combustion du Méthane dans l air 1- Réaction stoechiométrique 2- Pouvoir comburivore volumique et massique 3- Pouvoir fumigène humide et sec 1- Réaction stoechiométrique ( / + ) ૠૠ +, ( /) + ) ૠૠ +, )( / + ) + x=1 et y=4 CH *(O N 2 ) CO H *3,77 N 2 2- Pouvoir comburivore volumique ( / + ) ૠૠ =, = =9,54 Nm3 d air/nm3 de gaz = Ou bien en Nm3/kg, Sachant que 16 g (0.016 kg) de carburant occupe 22.4 l ( m3): / =/,. =. 3- Pouvoir comburivore massique / =, ቀ ቁ / / = ૠ. =, ቀ ቁ 4- Pouvoir fumigène humide CH *(O N 2 ) CO H *3,77 N 2 20

21 Quantité de fumées produites: ( ,54) Quantité de combustible: (1) VFH=(1+2+7,54)/1=10,54 Nm 3 de fumées / Nm 3 de gaz ou bien en Nm 3 de fumées / kg de gaz Sachant que 16 g (0.016 kg) de carburant occupe 22.4 l ( m3): =,. / 14,76 =/. 5- Pouvoir fumigène sec CH *(O N 2 ) CO H *3,77 N 2 Quantité de fumées produites: (1 ) + (7,54) Quantité de combustible: (1) VFS=(1+7,54)/1=8,54 m 3 de fumées / m 3 de gaz ou bien en Nm 3 de fumées / kg de gaz Sachant que 16 g (0.016 kg) de carburant occupe 22.4 l ( m3): = ૡ,. ܓ/ ܕ 11,96= /. Exercice 1 Exercices Ecrire la réaction de combustion complète de l octane (un des constituants de l essence) Ecrire la réaction de combustion incomplète de l octane en admettant que celle-ci ne fournisse que du monoxyde de carbone et de l eau. Exercice 2 A l aide des données fournies : 1- évaluer la chaleur de la réaction de combustion complète du méthane, dans les conditions normales de température et de pression (0 C, Pa). On ramène les produits formés dans les conditions normales de température et de pression ; l eau formée étant à l état liquide. 2- évaluer la chaleur de la réaction de combustion complète du méthane, dans les conditions normales de température et de pression (0 C, Pa). On ramène les produits formés dans les conditions normales de température et de pression ; l eau formée étant à l état vapeur. 3- Déduire les valeurs du PCS et du PCI du méthane : a) En kwh.mol -1. b) En kwh.kg -1. c) En kwh.m -3. Données : Espèces chimiques CH 4 (gaz) CO 2 (gaz) O 2 (gaz) H 2 O (liq) 21

22 f H 0 (kj.mol -1 ) à 273 K -74,85-393, ,83 Enthalpie standard de vaporisation de l eau : vap H 0 (à 273 K) = - 44,96 kj.mol -1. Exercice 3 Un chaudière est alimentée par un brûleur fonctionnant avec un combustible gazeux. Les pertes par les parois sont négligeables. La chaleur latente de vaporisation de l eau est Lv = 2500 kj.kg question : Déterminer le P.C.I de ce combustible 2 question : Déterminer son P.C.S 3 question : Calculer son pouvoir comburivore. 4 question : Calculer son pouvoir fumigène sec. 5 question : Calculer son pouvoir fumigène humide : Données : Composition volumique du combustible gazeux et PCI de chacun des constituants : Constituants Méthane Ethane Ethylène Formules CH 4 C 2 H 6 C 2 H 4 P.C.I (en kj/m 3 ) 55 x x x 10 3 % (en volume) 90 % 7 % 3 % Masse molaire (en g/mol) Le volume molaire normal est égal à : 22.4 L/mol L air contient, en volume, 21 % de dioxygène et 79 % de diazote Les conditions normales de température et de pression sont : 0 C et Pa Exercice 4 Calculer le pouvoir fumigène humide et le pouvoir fumigène sec du propane commercial La composition en volume du propane commercial est: La composition en volume de l air: 22