II Composition chimique des éléments de combustions

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1 1/6 I Généralités L objectif de toute installation est de produire de la chaleur et de transférer cette énergie au milieu à chauffer. Le rôle du brûleur est de produire cette chaleur. Cette production de chaleur est le résultat d une réaction chimique appelée combustion. 1) Définitions La combustion : la combustion recouvre l ensemble des réactions chimiques qui se produisent au cours de l oxydation complète ou partielle du carbone et de l hydrogène, des combustibles usuels. Combustible, comburant : les combustions sont des réactions exothermiques d oxydoréduction. Le corps oxydé, qui perd un électron, est le combustible (gaz, fuel, charbon...) et le corps réduit, qui gagne un électron, est le comburant (l oxygène contenu dans l air). Combustion vive : lorsque la combustion s accompagnent de rayonnements lumineux, elle se produit avec une flamme, qui délimite l espace ou à lieu la combustion : c est la combustion vive. 2) La matière, les molécules, les atomes L étude de la combustion se fait de façon théorique par l examen chimique, au niveau le plus bas, c est-à-dire à celui de l atome. Tous les atomes sont dotés d un certain nombre de liaisons. Un atome ne se trouve jamais seul. En effet, pour parvenir à une situation stable les atomes se lient de façon à ce qu il ne reste plus de liaisons libres. L ensemble stable formé de plusieurs atomes est appelé molécule. II Composition chimique des éléments de combustions 1) Les corps simples Composant Symbole Nbre de Remarques chimique liaisons Oxygène O 2 Gaz incolore et inodore Azote N 2 Gaz incolore et inodore Hydrogène H 1 Gaz incolore et inodore Carbone C 2 Il se trouve à l état pratiquement pur (diamant). Il est le plus souvent combiné à l hydrogène dans les combustibles gazeux (CH 4, C 2 H 4, C 2 H 2... ) Souffre S 4 C est un élément indésirable de par les produits de combustion qu il dégage (SO 2 ).

2 2/6 2) Les corps composés L air, est un mélange d oxygène (20,8%), d azote (78,2%) et de quelques gaz rares parce que justement ils sont en petites quantités (environ 1%, composition en % du volume). L eau, H 2 O, s obtient en attachant à chacune des deux liaisons de l atome d oxygène, un atome d hydrogène Le gaz carbonique, CO 2, s obtient en attachant aux quatre liaisons du carbone, deux atomes d oxygène. Les combustibles sont essentiellement composés de molécules de carbone et d hydrogène, d où leur nom d hydrocarbure. 3) Les hydrocarbures saturés Les hydrocarbures saturés font partie de la famille des alcanes. La formule générale des alcanes à chaîne carboné linéaire est : C n H n+2. Si n est inférieur à 5 les alcanes sont sous forme gazeuses, si n est supérieur à 5 ils sont sous forme liquide. le méthane : CH 4. C est l élément le plus connu et aussi le constituant principal des gaz naturels (de 83 à 98%). L éthane : C 2 H 6. Il vient après le méthane, il se trouve entre 3 et 10% dans les gaz naturels. Le propane : C 3 H 8. C est un gaz extrait du pétrole et qui entre à raison de 65 % dans la composition du propane commercial. Le butane : C 4 H 10. C est aussi un gaz de pétrole, qui entre à raison de 69% dans la composition du butane commercial. Le pentane : C 5 H 12. C est un gaz lourd peu utilisé. L hexane : C 6 H 14. C est un solvant ou une essence légère. L hectane : C 7 H 16. C est un solvant ou une essence légère. L octane : C 9 H 18. C est l essence de traction automobile. 4) Les hydrocarbures insaturés Les alcènes et les alcynes font partis des hydrocarbures insaturés ; les alcènes possèdent une liaison double C=C et ils ont pour formule brute C n H 2n. Les alcynes possèdent une liaison triple C C. Ils ont pour formule brute C n H 2n-2. L éthylène : C 2 H 4. L éthylène n existe presque pas dans la nature. Il est préparé à partir du pétrole. L acétylène : C 2 H 2. L acétylène n existe presque pas dans la nature. Il est préparé à partir du gaz naturel. III Etude physico-chimique de la combustions Nous savons que la combustion d un hydrocarbure s obtient en le faisant réagir avec de l oxygène. Par commodité et économie, plutôt que d employer de l oxygène pur on utilise de l air qui en contient près de 21%. L azote contenu dans l air ne participe pas à la combustion. Les réactions de bases sont les suivantes : C + O 2 CO 2 ; 2H 2 + O 2 1) La combustion du méthane 2H 2 O Lorsque l on brûle du méthane, il faut de l oxygène, les produits obtenus sont du gaz carbonique et de l eau sous forme de vapeur. L équation de la réaction chimique est la suivante : CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O Or on n utilise pas de l oxygène mais de l air qui contient 21% d oxygène et 79% d azote (en volume) donc le rapport N 2 /O 2 = 21/79 = 3,76. L équation de la réaction chimique est alors la suivante : CH 4 + 2(O N 2 ) CO 2 + 2H 2 O + 7,52N 2 Pour brûler 1 mole de CH 4 il faudra donc 2 moles de O 2 et 7,56 moles de N 2.

3 3/6 Une mole de gaz dans les conditions normales occupe un volume de 22,4 litres, donc pour brûler 1m 3 de CH 4 il faudra donc 2 m 3 de O 2 et 7,52 m 3 de N 2 c est-à-dire 9,52 m 3 d air. Si l on est dans les conditions citées ci-dessus on dit que la réaction est stoechiométrique ou encore neutre ou complète. Mais il est absolument impossible de faire une combustion dans de telles conditions, car, pour mettre le volume d air théoriquement exact, il faudrait mettre dans le foyer de la chaudière exactement pour chaque particule de méthane, deux particules d oxygène. * Combustion complète en défaut d air (ou complète réductrice) Il n y a pas assez d air, donc d oxygène, pour la combustion du méthane alors toutes les molécules de carbone ne sont pas oxydées, cela entraîne la formation d autres produits dont les équations de réactions chimiques sont les suivantes : C + O2 CO2 ; 2C + O2 2CO formé par manque d oxygène ; C formé par manque total d oxygène. Le CO 2 est un produit normal de la combustion. Le CO (monoxyde de carbone) est un gaz toxique voir mortel et explosif. Le C est un solide également combustible, qui va se déposer et encrasser la chaudière. * Combustion complète en excès d air (ou complète oxydante) Pour éviter la formation de produits dangereux et toxiques, on ajoute une quantité d air plus grande que nécessaire. La réaction de combustion se développe normalement et on retrouve une quantité d oxygène et d azote correspondant à l air supplémentaire ajouté. La combustion complète oxydante est la seule envisageable pour les brûleurs à air pulsé. 2) La combustion des fiouls Etant comme les gaz des hydrocarbures, ils obéissent aux mêmes principes de combustion. Cependant, avec le méthane l oxygène de l air se mélange directement et les réactions chimiques se produisent dès que les conditions de température le permettent. Les combustibles liquides doivent franchir quelques transformations physiques avant que la combustion ne commence : * pulvérisation du liquide en fines gouttelettes ; * réchauffement de ces gouttelettes ; * évaporation de ces gouttelettes. 3) Le souffre Les fiouls contiennent du souffre en faible quantité. La combustion de ce souffre forme de l hanydride sulfureux (SO 2 ) ou de l hanydride sulfurique (SO 3 ) qui se dissolvent dans l eau (condensation ; humidité de l air, du sol, poumons ) donnant naissance aux acides sulfureux ou sulfuriques. On connaît très bien les pouvoirs corrosifs de ces acides. III Grandeurs caractéristiques de la combustion 1) Le pouvoir comburivore (ou air stoechiométrique, ou air théorique) C est la quantité d air nécessaire et suffisante pour assure la combustion complète d une unité de poids ou de volume du combustible. Il s exprime en m 3 /kg ou en m 3 /m 3. Symbole : Va

4 4/6 2) Rapport air / combustible C est le rapport du volume d air de combustion réel ou mesuré sur la quantité unitaire de combustible. Symbole : R En combustion théorique R = Va En combustion en excès d air R > Va En combustion en défaut d air R <Va 3) Taux d aération, facteur d air Le taux d aération est le rapport entre l aération réelle et l air stoechiométrique. R n = V a En combustion théorique n = 1 En combustion en excès d air n > 1 En combustion en défaut d air n < 1 4) CO 2 maximum Si l on reprend l équation de combustion du méthane : CH 4 + 2(O N 2 ) CO 2 + 2H 2 O + 7,52N 2 On avait conclu que pour brûler 1m 3 de CH 4 il fallait 2 m 3 de O 2 et 7,52 m 3 de N 2 c est-à-dire 9,52 m 3 d air. Sur le même principe on peut dire que la combustion dégage 1 m 3 de CO 2, 2 m 3 de H 2 O et 7,52 m 3 de N 2, on obtient ainsi 8,52 m 3 de fumée sèche ; c est à dire sans eau ou vapeur d eau. Dans ces 8,52 m3 de fumée nous avons 1 m 3 1 de CO = 11,7 %. Cette valeur de 11,7% 8,52 est la valeur maximum que peut atteindre la quantité de CO 2 dans les fumées, on l appellera : CO 2 maximum ou CO 2 max. Exemple : combustion complète avec excès d air de 1 m 3. 1 m 3 CH4 + 2 m 3 (O N 2 ) + 1 m 3 d air 1 m 3 CO m 3 H 2 O + 7,52 m 3 N m 3 d air On obtient donc 1 m 3 CO 2 pour 9,52 m 3 1 de fumée sèche, soit CO 2 = 100 = 10, 5 %. 9,52 11,7 10,5 Cette valeur de CO 2 correspond à un excès d air de 100 = 10,8%. 11,7 En mesurant dans les fumées, une valeur de CO 2 inférieure au CO 2 max, nous pouvons affirmer que nous sommes en présence d une combustion avec excès d air. ATTENTION : dans ce cas là, seule la mesure de la teneur en CO pourra nous indiquer si la combustion est complète (pas de CO) ou si elle est incomplète (présence de CO).

5 5/6 IV Diagrammes caractéristiques de la combustion 1) Diagramme de Biard Il est construit en indiquant sur l axe horizontal les teneurs en oxygène, et sur l axe vertical les teneurs en gaz carbonique. Ces deux teneurs sont exprimées en pourcentage des produits de combustion sec. Le point repéré correspond à la combustion stoechiométrique et qui donne la valeur de CO 2 max. Le point repéré correspond à la valeur maximale du taux d oxygène dans l air, soit de 20,8%. Sur la droite qui relie le point au point, nous trouvons tous les points qui correspondent à la combustion complète en excès d air. On l appelle droite de Grebel. 2) Diagramme d Ostwald Le diagramme d Ostwald, construit à partir du diagramme de Biard, est plus complet. Il fait apparaître sur la droite de Grebel les valeurs de l excès d air, que l on peut déduire par la connaissance du taux de CO 2. Exemple d utilisation : taux de CO 2 : 10% (ou taux de O 2 : 3,3%) facteur d air 1,15 donc excès d air 15%. Nous pouvons dire en conclusion, que le diagramme d Ostwald ne nous sert qu a déterminer la valeur de l excès d air, quand on connaît la valeur de CO 2, soit celle de l O 2.

6 6/6 V Etude thermique de la combustion 1) Pouvoir calorifique Unité : L unité légale est le Joule, mais pour des raisons d échelle les professionnels utilisent le Kwh. Définitions : * Pouvoir calorifique : c est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète à la pression atmosphérique de 1 kg de combustible liquide ou 1 m 3 de gaz (air et produits de combustion étant à 0 ). * Pouvoir calorifique supérieur (P.C.S.) : c est le pouvoir calorifique si l on suppose ramener à 25 C tous les produits de la combustion, la vapeur d eau étant alors condensée. * Pouvoir calorifique inférieur (P.C.I.) : c est le pouvoir calorifique si l on suppose ramener à 100 C tous les produits de la combustion sans condensation de la vapeur d eau. La différence entre le PCS et le PCI provient de la chaleur de condensation de l eau formée. PCS = PCI + m eau L veau m eau : masse d eau formée en kg ; L : chaleur latente de vaporisation de l eau KJ/m3 ou kwh (selon l unité de PCI). v eau 2) Rendement de combustion et rendement utile R g Puissance brûleur Pertes par les fumées = Puissance brûleur Puissance chaudière R u = Puissance brûleur 3) Calcul du rendement de combustion La formule de Siegert est l équation la plus connue des formules de calcul de rendement. Elle est valable uniquement pour les combustions exemptes de CO. Son écriture simplifiée est : t F t A R g = 100 f CO2 Dans laquelle : t F est la température des fumées en C. t A est la température ambiante ou de l air de combustion en C. CO 2 est le taux de CO 2 en % R g est le rendement en % f est un coefficient dépendant du type de combustible et de l excès d air (voir tableau en annexe).

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