Combustion 2me partie Combustions relles combustibles complexes Sommaire
Combustion (2ème partie) Combustions réelles, combustibles complexes
Sommaire: I Calcul pratique et analyse de combustion I-1 Combustibles I-2 Composition des fumées 1°) Combustion neutre 2°) Combustion oxydante 3°) Combustion réductrice et incomplète I-3 Calcul précis de pertes aux fumées 1°) Pertes par chaleur sensible 2°) Pertes par chaleur latente 3°) Pertes par imbrûlés I-4 Pollution et analyseurs de fumées II Phénoménologie de la combustion II-1 Mécanismes de la combustion II-2 Fours et chaudière
I Calcul pratique et analyse I-1 Les combustibles I-1 -1 Combustibles solides : (Charbons, bois, déchets) - Matières organiques (C, H, O) - Peu de soufre en général (<1%) - Minéraux (cendres) et eau
a) Charbons : origine végétale années - 65 millions Tourbes C De 60 à 94% H De 6 à 3, 5% - 360 millions Lignites O 2 De 35 à 1, 5% Houilles Pp 20 à 36 MJ/kg Caractéristiques sur sec et sans cendres Humidité de rétention 15 à 2% de la tourbe à la houille Cendres 5 à 13% dépend de la provenance…
b) Bois et déchets végétaux : C H 2 O 2 N 2 Ip Va VF CO 2 50% 5, 8% 43, 2% 1% 18 MJ /kg 4 , 5 5, 2 16, 5 Caractéristiques sur sec et sans cendres Humidité de 20% (bois sec) à 50% (bois vert) Cendres < 1, 5% pour le bois peut atteindre 6 à 9% pour les déchets verts (écorces, paille…)
Autres déchets : Recyclage: la meilleure solution Incinération : économiquement avantageuse. Constitution toujours très variable: Déchets ménagers: PCI très faible : 5 à 8 MJ/kg: humidité très forte (30 à 40% nécessitent souvent l’utilisation d’un combustible d’appoint) Déchets industriels: PCI: 15 à 40 MJ/kg (papiers, cartons, plastiques, huiles et solvants)
I-1 -2 Combustibles liquides et gazeux : 1°)Hydrocarbures pétroliers Le pétrole: Beaucoup plus ancien que les charbons (2 milliards d’années). Origine: décomposition des microorganismes des mers primitives. Forte teneur en soufre a) Combustibles de distillation : GPL(bu-pro) essence kérosène Gazoil et FOD Fuel lourd BTS C% 82, 5 85, 7 86 87 H% 17, 5 14, 3 13, 3 11, 35 S% 0 0 <0, 3 1 N% 0 0, 25 O% 0 0, 2 0, 4 Ma 15, 4 15 15 14, 3 14 d 0, 55 0, 75 0, 844 0, 99 Ip 46 MJ/kg 44 MJ/kg 43, 5 MJ/kg 42 MJ/kg
b) Gaz naturels Composition très variable fonction de la provenance CH 4 % 90 C 2 H 6 % 6, 5 Pp Ip MJ/Nm 3 40 36 C 3 H 8 % 2 C 4 H 10 % 0, 5 N 2 1 d Va VCO 2 VH 2 O VFS 0, 6 9, 7 1 2 8, 7
2°) Liquides d’origine végétale a) alcools Bons pour MAC: RON élevé mais Ma faible=>MTBE, ETBE Méthanol C% H% O% Ip MJ /kg Ma kg/kg d 37, 5 12, 5 50 20 6, 45 0, 796 35, 2 11, 7 0, 746 26 8, 93 0, 794 35, 9 12, 1 0, 75 MTBE Éthanol 52 13 35 ETBE b) Huiles végétales, diester Pour MD mais Pb viscosité, pt d’écoulement, craquage…=> diester Colza Diester C% H% O% Ip MJ /kg Ma kg/kg 77 , 9 11, 7 14, 7 37, 4 12, 33 37 , 7 m 20°C. c. St Craquage 77 250°C 7 350°C
I-2 Composition des fumées Combustion neutre: Pouvoir comburivore : Pouvoir fumigène humide: Pouvoir fumigène sec : Carbone total : Hydrogène total : Humidité Oxygène et azote libre Va Volume d’air nécessaire VFH Volume de fumées VFS Volume de fumées sans la vapeur d’eau VC 02 Volume de gaz carbonique des fumées VH 20 Volume de vapeur d’eau des fumées VH Eau des fumées dû à l’humidité combustible VO 2, VN 2 O 2 N 2 contenus dans le combustible Solides, Liquides: Nm 3/kg de combustible Combustibles gazeux: Nm 3/Nm 3 de comb.
Combustion réelle: V’a, V’FH… - Mauvaise combustion - Dosage non stoechiométrique pour: Rendement maxi l>1 Limites machine (turbines, diesels) Puissance et stabilité l<1 Combustion réductrice Teneur en CO 2 des fumées: XCO 2= V’CO 2/V’FH Teneur en CO 2 des fumées sèches; g. CO 2= V’CO 2/V’FS Donnée par les analyseurs de fumées
1°) Combustion neutre Carburant +Comburant C, H, O, S, N, Humidité O 2, N 2 Fumées CO 2, SO 2, N 2, H 2 O
Pouvoir comburivore: Teneur en oxygène du comburant: 21% pour l’air Pouvoir fumigène sec: Pouvoir fumigène humide:
Exemples de calcul : Combustible solide ou liquide: Humidité =1, 2 % ; Cendres=8% ; C=78% ; H=5% ; O=6, 4% ; N=1, 4%
Combustible gazeux: CH 4=81, 3% ; C 2 H 6=2, 9% ; C 3 H 8=0, 4% ; C 4 H 10=0, 2% ; N 2=14, 3% ; CO 2= 0, 9%
2°) Combustion oxydante Valorisation énergétique=>excès d’air a) Calcul direct
b) Calcul inverse C’est le calcul le plus courant car permet de calculer l’excès d’air après analyse des fumées Ou: A éviter: moins précis!!!!
3°) Combustion réductrice ou incomplète • Combustion complète réductrice : – Cas peu fréquent – Diagramme d’équilibre • Dysfonctionnement: – Cas encore plus improbable – Les compositions des fumées ne répondent à aucune équation simple=> Ostwald À télécharger sur le site de l’IUT
Cas général de combustion quelconque: le diagramme d’Ostwald
4°) Utilisation pratique des analyses de fumées Analyseurs => g. O 2, g. CO… - Utiliser g. O 2, pour le calcul de l’excès d’air sauf si on a que g. CO 2 - g. CO permet d’estimer les pertes par imbrûlés (faibles…) - Les autres mesures (NOx, SO 2…) : pollution limites légales
I-3 Calcul des pertes aux fumées 1°) Chaleur sensible a) Calcul intégral: Calcul de Cp(T) du mélange b) Détermination graphique de Cp moyen Téléchargement sur le site de l’IUT des Cp
c) Formules semi empiriques Siegert: %pertes sensibles sur PCM Ks= % CO 2 0, 47 pour le Gaz naturel, 0, 6 pour les hydrocarbures moyens, 0, 62 pour le fuel lourd et 0, 71 pour le charbon.
2°) Pertes par chaleur latente 2500 k. J/kg
3°) Pertes par imbrûlés En Nm 3/s si combust. gaz et kg/s si liq. ou sol. Et: V’FS=VFS+e. Va Les analyseurs donnent CO =>on déduit H 2 par: Pour les moteurs (équilibre supposé à 1850°C) : g. CO /g. H 2 =8 x/y Pour les fours ou chaudières (1450°C) : g. CO /g. H 2 =5 x/y
I-4 Pollution et analyseurs 1°) Principales sources de pollution Provient du carburant, Caractère inéluctable: - Fuel => SO 2 - Charbons => Cendres volatiles - Incinération déchets => Chlore (dioxines) Conception ou réglage : on peut améliorer: CO, NO, suies…
2°) Limitations règlementaires et réduction des polluants - Les cendres => Combustion charbon Filtres électrostatiques : rendement 99% Réglementation: 129 mg/k. Wh PCI maxi - Les imbrûlés solides (suies) => problème de mélange FO et FOD : craquage du combustible seuil légal 215 mg/k. Wh -Oxydes de soufre: SO 2>1 ppm irritant, normes France <0, 1 ppm au sol Sortie de cheminée: Fuel 2000 ppm, Charbon 500 ppm Acide sulfurique H 2 SO 4 =>corrosion, fumerons acides Cheminée haute + vitesse Limiter la teneur des combustibles en soufre : FO BTS<2% et TBTS<1%, FOD ou gaz oil <0, 3%)
- Oxydes d’azote NO=>NO 2 (gaz roux) 13 ppm irritant=>NO 4 œdème au poumon >40 ppm Asthme, pluies acides, déforestation et smog Dû aux hautes températures et à l’excès d’air la recherche de rendement. l’OMS recommande <0, 1 ppm pendant 1 h. - Oxydes de carbone: combustion incomplète Très toxique >0, 1% accidents mortels (300 à 400 décès/an en France) Mauvaise combustion d’appareils de chauffage Normes parkings souterrains < 45 ppm max.
3°) Analyseurs de combustion -Particules Fumosimètre de Bacharach: Norme: Indice < 4 Indice > 6 : Fumées visibles Mesure en continu: opacimètre optique - Émissions gazeuses - La mesure volumétrique par absorption du gaz : l’analyseur Orsat: CO 2
- Appareils électrochimiques portatifs: Durée de vie très limitée, la cellule se pollue rapidement Bons marché mais pas de mesure en continu (échantillons) - Appareils fixes de mesures en continu: Mesure infrarouge: Absorption des IR par les gaz contenant du carbone (CO 2, CO, CH. . ) Chimiluminescence: analyseurs de NO NO+O 3 -> lumière proportionnelle à NO. Paramagnétivité Attraction magnétique de l’oxygène => analyseur d’oxygène magnéto-pneumatique Électrolyte solide la sonde l (fonctionnement comparable à la pile à combustible) absence d’O 2 : 1 V ; présence : 0 V
II Phénoménologie de la combustion II-1 Mécanismes 1°) Réaction en chaîne et équilibres à HT Réaction en chaîne: Rupture ou Ramification Initiation Propagation
Réactions d’équilibre A haute température: Etc. . . Détente ou refroidissement pariétal => « trempe » CO, NO, H 2 dans les fumées Pots catalytiques : permettre la recombinaison à basse température
2°) Auto inflammation: Limites d’auto inflammation : A : n heptane +1, 5 isooctane dans l’air B : Isooctane dans l’air Richesse 1, 25
Délai d’auto inflammation q: p p croît => q diminue q mini pour R<1
3°) Détonation: propagation supersonique de la combustion 4°) Déflagration: propagation subsonique de la combustion Déflagration laminaire homogène
Influence de la turbulence Combustion diphasique
II-2 Combustion dans les fours et chaudières 1°) Transfert de chaleur Fours: Rayonnement: Le carbone-suie améliore le transfert (e. F) => fuel ou préchauffe du gaz nat. (650°C) Rayonnement dans le foyer Chaudières: Convection dans échangeurs et économiseurs
2°) Aérodynamique de l’enceinte Air induit par I du combustible Sans rotation Flamme boule La vitesse de rotation augmente Flamme murale
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