Cours de COMBUSTION JeanCharles SAUTET Universit de Rouen
Cours de COMBUSTION Jean-Charles SAUTET – Université de Rouen 1
Jean-Charles SAUTET Professeur à l’Université de Rouen – France Chercheur au CORIA (Complexe de recherche Interprofessionel en Aérotermochimie) Thématiques de recherches: - Mélange gazeux turbulent - Combustion non prémélangées: oxy-combsution, H 2… - expériences et métrologies Responsable du Master 2 Gestion des Systèmes Industriels « Maîtrise de l’Energie » Cours de combustion février 2012 Lundi 20/02: 10 h 30 -12 h 30 14 h-17 h Mercredi 22/02: 9 h-12 h 14 h-17 h Mardi 21/02: 9 h-12 h Jeudi 23/02: 9 h 12 h 13 h 30 -15 h Conférence « métrologies optiques pour les écoulements non-réactifs » Mardi 21/02 : 14 h-15 h 30 2
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Plan du cours: - chap 1: Rappels de Thermochimie - chap 2: Etude physico-chimique de la combustion - chap 3: COMBUSTION LAMINAIRE Flamme de diffusion Flamme de prémélange - chap 4: exemples de procédés industriels de combustion 6
Partie I Rappels de Thermochimie Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 7
I. Chaleur et enthalpie de réaction Toute réaction chimique absorbe ou dégage de l’énergie, suivant le schéma : réactifs produits + q Si q < 0, la réaction est exothermique. Si q > 0, la réaction est endothermique. La plupart des réactions chimiques sont conduites à pression constante. Les produits de réaction sont généralement ramenés à pression atmosphérique Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 8
Dans ce cas, l’énergie dégagée par la réaction est : q = DH = Hprod – H réact On admet que - l’enthalpie initiale est la somme des enthalpies différents réactifs - l’enthalpie finale est la somme des enthalpies différents produits. et où ni et nj sont les coefficients stoechiométriques correspondant aux produits et aux réactifs. Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 9
A quoi correspondont l’enthalpie? Calcul d’une chaleur de réaction par la méthode des enthalpies de lien Exemple : P 4 solide + 3 O 2 gaz P 4 O 6 gaz DH ? Etape 1 : P 4 solide ---- P 4 gaz on fournit Q 1 au système Etape 2 : P 4 gaz ----- 4 P rupture de 6 liaisons P-P, on fournit Q 2 au système 3 O 2 ----- 6 O Etape 3 : 4 P + 6 O ------- P 4 O 6 rupture de 3 liaisons O=O, on fournit Q 3 au système formation de 12 liaisons P-O, le système perd Q 4 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 10
Lien P-P P-O O=O H: enthalpie du lien (Kcal/mole) 48 80 119 L’énergie fournie au système est comptée positivement pour le système. L’énergie récupérée du système est comptée négativement pour le système. Pour briser une liaison chimique en atomes on fournit de la chaleur. Cette énergie est appelée : enthalpie d’atomisation du lien Hat. Lorsqu’une liaison chimique se forme à partir des atomes on gagne de la chaleur. Cette énergie est appelée : enthalpie de formation du lien Hfor. Hat > 0 Hfor < 0 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 11
Pour un lien donné Hat = - Hfor Pour une réaction chimique : DH = S Hat + S Hfor Variation d’enthalpie de la réaction de combustion du phosphore : DH = 6. (+48)+3. (+119)+12. (-80)= - 315 Kcal/mol diagramme enthalpique : Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 12
Il existe 3 sortes de diagrammes enthalpiques : Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 13
II. La COMBUSTION La combustion désigne une réaction chimique au cours de laquelle il y a oxydation complète ou partielle d’un corps. - Cette espèce chimique totalement ou partiellement oxydée est appelée combustible ou carburant, - L’espèce oxydante est le comburant. La réaction d’oxydation est en général exothermique. Le terme combustion s’applique aux cas où la réaction est suffisamment rapide pour quelle se matérialise par des effets radiatifs visibles (flammes, étincelles, etc. ) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 14
La réaction chimique de combustion est globalement une réaction d’oxydo-réduction Oxydant : comburant (O 2 pur, O 2 dilué (air), ozone, nitrates. . ) + Réducteur : combustible (H 2, hydrocarbures Cn. Hm, CO…) = Produits de la réaction Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 15
La combustion peut être modélisée par une relation globale a Combustible + b Comburant le plus souvent : hydrocarbure Cn. Hm air (21%02+79%N 2) c Produits CO 2, H 20, CO, HO, NOx… a et b sont les coefficients stoechiométriques La stœchiométrie permet de fixer une règle pour rendre compte de la conservation du nombre d'atomes au cours d'une réaction chimique On appelle : - réaction globale la réaction complète et totale des réactifs il n’y a plus de réactifs initiaux dans les produits -Si il y a trop de comburant il reste du comburant dans les produits le milieu est pauvre - Si il y a trop de combustible il reste du combustible dans les produits le milieu est riche Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 16
En réalité, il y a un grand nombre de réactions élémentaires a Combustible + b Comburant ↔ c Produits a 1 A 1 …. . a i Ai …. . an A n + + + b 1 B 1 …… bi. Bi …… bn B n ↔ ↔ ↔ c 1 C 1 …… ci. Ci …… cn. Cn Chaque réaction élémentaires est exo ou endo-thermique mais la réaction globale reste exothermique. Les réactions élémentaires vont dans les deux sens. Certaines espèces intermédiaires restent dans les produits finaux. Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 17
III. Enthalpies standards Enthalpie standard (molaire) d’une substance A l’enthalpie de formation de (1 mole de) cette substance dans son état standard (à p = 105 Pa et à T = 25 °C), à partir des éléments pris dans leur état standard également. L’exposant 0 indique l’état standard. Par convention, l’enthalpie standard des éléments simples est nulle (N 2, H 2, O 2, Cl 2…). L’enthalpie standard d’une réaction: Les enthalpies standards de formation sont données par des tables. Exemple : on trouve dans les tables que = - 71, 81 k. J/mole. Ceci représente l’enthalpie de la réaction exothermique : C(s) + 2 H 2(g) CH 4(g)(méthane) à 298. 15 K et sous p = 105 Pa Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 18
1 - Loi de Hess Supposons que la réaction A B peut se décomposer en plusieurs étapes (pas nécessairement réalisables) : ? On a alors A B C D (H est une fonction d’état). De façon générale, si une réaction peut se décomposer en n étapes : Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 19
Exemple : considérons la transformation du graphite en diamant : C(s; graphite) C(s; diamant) dans les conditions standards. Ce processus, impossible à réaliser, peut se représenter par le cycle de Hess C(s, graphite)+ O 2(g) ? C(s, diamant)+ O 2(g) CO 2 (g) On connaît l’enthalpie de formation du CO 2(g) à partir de ses éléments = - 393, 51 k. J/mole La seconde réaction est la réaction opposée à la combustion du diamant, = 395, 40 k. J/mole D’où = 1, 89 k. J/mole Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 20
2 - Loi de Kirchhoff permet de calculer la chaleur de réaction dans le cas où la température n’est pas la température standard (25°C) Capacité calorifique molaire à pression constante : Pour une réaction : Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 21
On en déduit la loi de Kirchhoff : ou sous forme intégrale : Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 22
Exemple : l’enthalpie standard de formation de H 2 O(g) à 298 K est -241, 82 k. J/mole Cp(H 2) = 28, 84, Cp(O 2) = 29, 37 et Cp(H 2 O(g)) = 33, 58 J. K-1 mol-1. En considérant que ces valeurs restent constantes entre T 0 = 298 K et T 1 = 373 K, on peut calculer à 373 K : On a donc : k. J/mole Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 23
3 - Température adiabatique de fin de réaction L’enthalpie H est la quantité de chaleur nécessaire pour amener l’un quelconque des constituants du gaz de combustion de la température initiale à la température finale sous pression constante. On considère une réaction à l’intérieur d’une bombe calorimétrique (adiabatique + volume constant). Toute l’énergie dégagée par la réaction sert à chauffer les produits. L’enthalpie des réactifs à la température initiale T 0 = l’enthalpie des produits à la température Tf de fin de réaction Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 24
L’enthalpie des réactifs à la température T 0 : L’enthalpie des produits à la température finale Tf : Soit à résoudre : = Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 25
Remarques: - système itératif car Cp=Cp(T) - En ne considérant qu’une capacité calorifique moyenne, on n’obtiendra qu’une estimation de la température de fin de réaction complète. Exemples: - Combustion du méthane à l’air CH 4 + 9, 53 (0, 21 O 2+0, 79 N 2) CO 2 + 2 H 20 + 7, 53 N 2 T°finale = 2200 K - Combustion du méthane à l’oxygène pur CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 20 T°finale = 3050 K Effet du ballast thermique de l’azote Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 26
4 - Cinétique de formation des NOx a- 3 mécanismes: - Le NOx THERMIQUE - Le NOx COMBUSTIBLE - Le NOx PRECOCE Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 27
Le NO Thermique (Thermal NO) Formation initiée par la rupture de la triple liaison de l’azote moléculaire N 2 (N N) • N 2 + O • NO + N • + OH 2 NO + H • +O 2 NO + O • 2 Energie d’activation élevée Mécanisme prépondérant à haute température (> 1600°C) Pour limiter la formation du NO thermique: diminuer la température du milieu réduire la concentration en oxygène (O • et OH • ) limiter la présence d’azote moléculaire N 2 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 28
Le NO du combustible (fuel NO) - présence d’azote dans la matrice du combustible - quantité d’azote fonction de la nature du combustible (solide/gazeux/liquide) - formation rapide de composé gazeux en phase gaz (HCN, NH 3…) - oxydation de ces composés conduisant à la formation de NO Pour limiter la formation du NO combustible: choix du combustible reformulation / dénitrification du combustible Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 29
Le NO précoce (prompt NO) - attaque de l’azote moléculaire de l’air par des fragments hydrocarbonés CHi combustible T° N 2 + CHi • N • + HCN NO - mécanisme d’autant plus important que la richesse du combustible est élevée - efficace même à basse température - faible contribution dans les brûleurs et installations industrielles (T°) Pour limiter la formation du prompt NO : limiter la quantité de combustible (stoechiométrie – proche de 1) choix du combustible (précurseurs de CHi ) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 30
b- technologies d’abattement des NOx u Limiter la formation des NOx à la source amélioration du processus de combustion Méthodes primaires: limiter la température dans l’enceinte de combustion contrôler le rapport combustible / comburant adapter le mode de combustion (homogénéité, géométries…) Moyens disponibles: étagement des injections d’air et de combustible recirculation des fumées optimisation de la géométrie injecteur / brûleur optimisation des paramètres de fonctionnement Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 31
v Réduire les émissions résiduelles de NOx Traitement des fumées afin de limiter la teneur en NOx conversion chimique, catalytique ou non, des polluants issus du foyer Méthodes secondaires: réduire les NOx en azote moléculaire (N 2) choix d’un procédé adapté au process industriel Moyens disponibles: traitement en phase gaz: recombustion, réduction sélective non catalytique traitement catalytique: réduction sélective catalytique couplage de méthodes Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 32
Partie II Etude physico-chimique de la combustion Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 33
I- 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 en outre: - 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 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 34
II- Etude thermique de la combustion : pouvoir calorifique a- Pouvoir calorifique supérieur (PCS) Le PCS, à volume constant, d’un combustible représente la quantité de chaleur dégagée par la combustion de l’unité de masse du combustible : - dans de l’oxygène saturé de vapeur d’eau, - les produits réagissant et les produits formés étant à la même température, - l’eau formée étant liquide Pour la mesure du PCS, on utilise une bombe calorimétrique. La définition du pouvoir calorifique à volume constant ne correspond pas aux combustions industrielles qui ont lieu à pression constante, dans une enceinte ouverte, mais la différence est faible et généralement négligée. Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 35
b- Pouvoir calorifique inférieur (PCI) La plupart du temps, les fumées sortent des surfaces d’échange à une température supérieure au point de rosée. L’eau est donc émise sous forme de vapeur Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) se calcule en déduisant du PCS la chaleur de condensation (2511 k. J/kg) de l’eau formée au cours de la combustion et éventuellement de l’eau contenue dans le combustible. PCI = PCS - Chaleur latente d'évaporation c- Pouvoir calorifique des mélanges avec : PCm pouvoir calorifique du mélange, PCi pouvoir calorifique des constituants xi fraction massique de chaque constituant. Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 36
Exemples : Mazout : Par kg de mazout se forme environ 1, 2 kg d'eau. L'énergie nécessaire pour transformer cette eau en vapeur s'élève à 2 511 x 1, 2 = 3 022 k. J/kg. Le mazout possède un PCI d'environ 43000 k. J/kg. Environ 6% de l'énergie disponible est donc perdue Gaz naturel : Le gaz naturel contient plus d'hydrogène, la déperdition d'énergie est plus importante lors de la combustion en raison de la formation de vapeur d'eau évacuée par la cheminée. Environ 10% de l'énergie disponible est perdue dans ce cas Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 37
d- Unités et exemples de valeurs Le pouvoir calorifique s’exprime en : – kcal/kg – millithermie/kg (=kcal/kg) – thermie/tonne (=kcal/kg) – k. J/kg (=0, 239 kcal/kg) – k. Wh/kg (=861 kcal/kg) Rq: 1 cal=4, 18 J 1 k. Wh=3600 k. J = 861 kcal ou en KJ/N. m 3 pour les gaz. J/g Kcal/kg k. Wh/tonne J/g 1 0, 24 0, 278 Kcal/kg 4, 18 1 1, 161 k. Wh/tonne 3, 6 0, 86 1 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 38
Pouvoir calorifique des gaz (millithermie/m 3 ou kcal/m 3) Substance PCI PCS Hydrogène (H 2) 2570 3050 Monoxyde de carbone (C 0) 3025 Hydrogène sulfuré (H 2 S) 5760 6200 Méthane (CH 4) 8575 9535 Ethane (C 2 H 6) 15400 16865 Propane (C 3 H 8) 22380 24360 Butane (C 4 H 10) 29585 32075 Ethylène (C 2 H 4) 14210 15155 Propylène (C 3 H 6) 20960 22400 Acétylène (C 2 H 2) 13505 13975 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 39
Rq: PCI massique Pour H 2: 2570 kcal/m 3 Pour CH 4: 8575 kcal/m 3 (r=0, 09 kg/m 3) (r=0, 67 kg/m 3) PCI=27 777 kcal/kg PCI=12 800 kcal/kg Soit un facteur 2, 17 sur l’énergie dégagée par l’unité de masse Pouvoir calorifique des liquides (thermies/tonne ou kcal/kg) Substance PCI PCS Hexane (C 6 H 14) 10780 11630 Octane (C 8 H 18) 10705 11535 Benzène (C 6 H 6) 9700 10105 Styrène (C 8 H 8) 9780 10190 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 40
Divers Bois (30% d’humidité) : 2800 thermies/tonne Essence Feuillus PCI en k. Wh/tonne Bois sec (0% d’humidité) Chêne 5 040 Hêtre 5 140 Châtaignier 5 190 Charme 4 970 Frêne 5 090 Bouleau 5 020 Acacia 5 270 Aulne 4 910 Peuplier 4 890 Orme 5 170 4434 thermies/tonne Décroissance linéaire du PCI en fonction de l’humidité Dans les plages d’humidité fréquemment utilisées dans le bois énergie (10% à 65% d’humidité), le PCI varie de 1 370 à 4 610 k. Wh/tonne soit un facteur 3. 4 Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 41
III- Grandeurs caractéristiques de la combustion stoechiométrique a- Pouvoir comburivore (ou air stœchiométrique) : Va quantité d’air nécessaire pour assurer la combustion complète de l’unité de volume de gaz combustible. m 3 d’air / m 3 de gaz b- Pouvoir fumigène volume, ramené aux conditions normales, de produits (fumées) de la combustion de 1 m 3 de gaz associé à l’air stoechiométrique. m 3 de produits / m 3 de gaz pouvoir fumigène humide V’f 0 : l’eau produite par la combustion est à l’état de vapeur (c’est le volume qui est réellement évacué) pouvoir fumigène sec Vf 0 : l’eau produite par la combustion est supposée condensée et on ne tient compte que du volume des corps gazeux Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 42
Exemple : pour la combustion du méthane dans l’air CH 4 + 2 *(O 2 + 3. 76 N 2) CO 2 + 2 H 20 + 2*3, 76 N 2 Soit une mole de carburant pour 2*4, 76 = 9, 52 moles d’air. - La fraction molaire (ou volumique) de méthane dans le mélange stoechiométriqu 1/(1+9, 52)=0, 095 = 9, 5% - En masse : 12+4=16 g de carburant pour 2*(32+3, 76*28) = 274, 56 g d’air. La fraction massique de méthane dans le mélange stoechiométrique est 16/(16+274, 56) = 0, 055 = 5, 5% Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 43
CH 4 + 2 *(O 2 + 3. 76 N 2) CO 2 + 2 H 20 + 2*3, 76 N 2 Pouvoir comburivore : Va = 9, 52 Nm 3 d’air / Nm 3 de gaz ou bien en Nm 3 d’air / kg de gaz Pouvoir fumigène humide: Vfo’=(1+2+7, 52)/1=10, 52 Nm 3 de fumées / Nm 3 de gaz ou bien en Nm 3 de fumées / kg de gaz Pouvoir fumigène sec: Vfo’= =(1+7, 52)/1=8, 52 Nm 3 de fumées / Nm 3 de gaz Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 44
c- autres grandeurs Chaque communauté (motoriste, chaudièristes…) a ses habitudes. - la fraction de mélange : rapport massique du carburant au mélange - le rapport carburant / air (Fuel Air Ratio) - la richesse : rapport du Fuel Air Ratio à sa valeur stoechiométrique ou si f < 1 si f > 1 pauvre (en excès d’air) riche (excès de carburant) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 45
- le facteur d’air (rapport du débit d’air au débit stœchiométrique obtenu par le pouvoir comburivore) n<1 en milieu réducteur et n>1 en milieu oxydant - l’excès d’air : le facteur d’air moins un (exprimé en %) - le facteur de défaut d’air Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 46
Caractéristiques des fumées - gaz carbonique total VCO 2 (ou « carbone total » ) volume total de CO 2 dû à la combustion complète de 1 Nm 3 de combustible gazeux (ou de 1 kg pour les solides). en m 3 CO 2 / m 3 gaz - Vapeur d’eau totale. VH 20 (ou « hydrogène total » ) volume total de H 20 dû à la combustion complète de 1 Nm 3 de combustible gazeux (ou de 1 kg pour les solides). en m 3 de vapeur d’eau / m 3 gaz - Teneur maximale en CO 2 des produits de combustion secs « CO 2 max » rapport du CO 2 total au pouvoir fumigène sec Gaz naturel Proche de 12% Butane et propane Environ 14% commercial Fiouls Entre 15 et 16% Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 47
Exemples : combustion à l’air de l’hydrogène H 2 + 2, 38 ( 0, 21 O 2 + 0, 79 N 2) H 20 + 1, 88 N 2 Air théorique : 2, 38 Pouvoir fumigène CO 2 total: 0/1 = 0 H 20 total: 1/1 = 1 Humide (V’fo) (1+1, 88)/1=2, 88 sec (Vfo) (1, 88)/1=1, 88 Composition volumétrique des produits de combustion humides (en % V’fo) CO 2 0*100/2, 88 = 0% H 2 0 1*100/2, 88 = 34, 7% N 2 1, 88*100/2, 88 = 65, 3% Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 48
combustion à l’air du gaz de Lacq (97, 3%CH 4, 2, 1% C 2 H 6, 0, 2% C 3 H 8, 0, 1% C 4 H 10, 0, 3% N 2) (0, 973 CH 4 + 0, 021 C 2 H 6 + 0, 002 C 3 H 8 + 0, 001 C 4 H 10 + 0, 003 N 2) + 9, 7 (0, 21 O 2 + 0, 79 N 2) 1, 025 CO 2 + 2, 022 H 20 + 7, 66 N 2 Air théorique : 9, 7 Pouvoir fumigène CO 2 total H 20 total Humide (V’fo) (1, 025+2, 022+7, 66)/1=10, 72 Sec (Vfo) (1, 025+7, 66)/1=8, 7 1, 025/1 = 1, 025 2, 022/1 = 2, 022 Composition volumétrique des produits humides (en % V’fo) CO 2 1, 025*100/10, 72 = 9, 6% H 2 0 2, 022*100/10, 72 = 18, 9% N 2 7, 66*100/10, 72 = 71, 5% Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 49
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IV- Les différents types de combustion On peut distinguer 4 types de combustion : - la combustion stœchiométrique - La combustion complète en excès d’air - La combustion complète en défaut d’air - La combustion incomplète Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 52
a- combustion stœchiométrique C’est la combustion donnée par 1 m 3 (n) de gaz associé à un volume d’air égal à l’air stœchiométrique COMBUSTION STOECHIOMETRIQUE Combustion complète sans excès d’air ni défaut d’air 1 m 3(n) GAZ AIR (N 2 + O 2) Va m 3(n) FUMEES HUMIDES N 2 + CO 2 + H 20 V’fo m 3(n) Taux d’aération n=1 Va = Air théorique ou POUVOIR COMBURIVORE m 3(n) d’air par m 3(n) de gaz FUMEES SECHES N 2 + CO 2 Vfo m 3(n) EAU V’fo : pouvoir fumigène humide Vfo : pouvoir fumigène sec m 3(n) de fumées par m 3(n) de gaz Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 53
combustion stœchiométrique: - Tout le carbone et tout l’hydrogène sont oxydés et tout l’oxygène de l’air est utilisé. - Les produits de combustion ne contiennent que : O 2, H 20 et N 2 - Le volume des produits de combustion est minimal (= au pouvoir fumigène) Ce type de combustion est difficile à réaliser dans la pratique: nécessite de fournir au brûleur l’air et le gaz très rigoureusement dans les proportions stœchiométriques. Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 54
b. combustion complète en excès d’air C’est la combustion donnée par 1 m 3 (n) de gaz associé à un volume d’air supérieur à l’air stœchiométrique COMBUSTION COMPLETE EN EXCES D’AIR 1 m 3(n) GAZ AIR UTILISE Va m 3(n) AIR EN EXCES (n-1) Va FUMEES HUMIDES FUMEES SECHES V’fo m 3(n) Vfo m 3(n) (n-1). Va EAU Taux d’aération n > 1 Volume d’air : n. Va Excès d’air : e(%) = 100 (n-1) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 55
Pour chaque m 3 de gaz : - une partie de l’air associé, égale à l’air stœchiométrique, sert à assurer l’oxydation complète du carbone et de l’hydrogène - le reste, l’air en excès, ne participe pas à la combustion et se retrouve, intégralement, dans les produits de combustion qui comprennent : CO 2, H 20, N 2 et O 2 Ce type de combustion est le plus courant. Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 56
c- combustion complète en défaut d’air (utilisation totale de l’oxygène) C’est la combustion donnée par 1 m 3 (n) de gaz associé à un volume d’air inférieur à l’air stœchiométrique COMBUSTION COMPLETE EN DEFAUT D’AIR 1 m 3(n) GAZ défaut d’air (1 -n)Va FUMEES HUMIDES FUMEES SECHES N 2 + CO 2 + H 20 N 2 + CO 2 CO + H 2 imbrûlés AIR n. Va m 3(n) EAU Taux d’aération n < 1 Volume d’air : n. Va Défaut d’air : d(%) = 100 (1 -n) Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 57
On trouve dans les produits de combustion : - des imbrûlés : CO, H 2 et, pour des défauts d’air importants: méthane et carbone suie - N 2, CO 2 et H 20 Ce type de combustion est parfois recherché dans certaines applications industrielles en raison de l’action de tels produits de combustion sur la charge de certains fours. Il est très difficile à réaliser dans la pratique. Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 58
d- combustion incomplète 1 m 3(n) de gaz est associé à un volume d’air quelconque et, en raison de conditions défavorables, une partie du gaz ne participe pas à la combustion. Cette combustion se caractérise par la présence simultanée d’oxygène et d’imbrûlés dans les produits de combustion. Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 59
COMBUSTION INCOMPLETE (équilibres chimiques non réalisés) tc m 3(n) brûlé 1 m 3(n) GAZ AIR n. Va m 3(n) FUMEES HUMIDES FUMEES SECHES N 2 + CO 2 + H 20 N 2 + CO 2 CO + H 2 ta. Va m 3(n) EAU tc. Va m 3(n) d’air utilisé ta. Va m 3(n) d’air inutilisé Taux de combustion : tc Taux d’air inutilisé : ta Taux d’aération : n = tc + ta Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 60
Ce type de combustion se rencontre lorsque le gaz et l’air disponibles ne se combinent pas totalement dans la zone de combustion. Ce peut être le résultat : - de la détérioration d’un brûleur, qui assure un mélange imparfait - d’un refroidissement brutal provoquant l’arrêt de la combustion. On peut également rencontrer une telle combustion sur des fours industriels lorsqu’une partie de l’air est aspirée par des ouvertures du fait de la dépression régnant dans l’enceinte. Cette combustion n’est jamais souhaitable et correspond à des équipements mal réglés ou détériorés Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 61
V- Grandeurs caractéristiques de la combustion 1 - Rapport air/gaz et taux d’aération Rapport air total / gaz (symbole R) En combustion théorique volume air = Va En combustion en excès d’air volume air > Va En combustion en défaut d’air volume air < Va Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 62
Taux d’aération ou facteur d’air (symbole n) En combustion théorique n=1 En combustion en excès d’air n>1 d’où un excès d’air e (%)=100(n-1) En combustion en défaut d’air n<1 d’où un défaut d’air d (%)=100(1 -n) Taux de combustion et taux d’air inutilisé En combustion incomplète, le taux d’aération n est la somme du taux de combustion tc et du taux d’air inutilisé ta : n=tc+ta Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 63
Rq : - La combustion peut être incomplète, même si le gaz et l’air sont présents en quantité stoechiométrique, par exemple si la présence d’une paroi froide inhibe la combustion. Si tc=0, 9 et ta=0, 1, on a n=1, mais 10% du combustible ne se sont pas oxydés et 10% de l’air sont restés inutilisés. En combustion complète en défaut d’air (utilisation totale de l’oxygène), ta=0 et tc=n Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 64
2 - Bilan en air de combustion d’un appareil Produits de combustion GAZ Produits de combustion AIR PRIMAIRE AIR SECONDAIRE + = AIR TOTAL GAZ AIR TOTAL Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 65
Dans un grand nombre d’appareils, le brûleur n’apporte pas la totalité de l’air de combustion, mais seulement une partie : l’ AIR PRIMAIRE. Dans ce cas, le foyer, généralement en dépression, permet l’admission naturelle d’AIR SECONDAIRE AIR PRIMAIRE + AIR SECONDAIRE =AIR TOTAL On a : - en débits d’air : qair primaire + qair secondaire = qair total (m 3/h) - en rapport air/gaz : Rprimaire + Rsecondaire = Rtotal (m 3 d’air/m 3 gaz) - en taux d’aération : nprimaire + nsecondaire = ntotal (sans unité) Rq : il est nécessaire de contrôler la quantité d’air secondaire admise pour éviter le refroidissement de l’appareil par de l’air en grand excès, source de surconsommation. Pour les appareils industriels à haute température, il faut même proscrire toute admission d’air secondaire. Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 66
VI- Volume des produits de combustion à évacuer 1 - volume normal des produits de combustion pour les différents types de combustion V’f : volume des produits de combustion humides en m 3(n) (c’est à dire à 0°C puisque la pression demeure, sauf exception, toujours voisine de la pression atmosphérique) - en combustion stœchiométrique Ce volume est égal au pouvoir fumigène humide V’f = V’fo - en combustion complète en excès d’air Ce volume est égal au pouvoir fumigène humide augmenté de l’excès d’air V’f = V’fo + (n-1) Va Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 67
n n’étant pas connu à priori, dans la pratique on calcule le volume d’air en excès à partir de la teneur en O 2 mesurée par analyse : g. O 2 sur produits secs et g’O 2 sur produits de combustion humides excès d’air = - en combustion complète en défaut d’air et en combustion incomplète Les produits de combustion secs comportent CO 2, CO et H 2 ; dans la combustion incomplète, ils contiennent en plus O 2. Le volume des produits de combustion peut se calculer en fonction des caractéristiques du gaz et des résultats de l’analyse des produits de combustion Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 68
2 - volume réel à évacuer à une température quelconque Les produits de combustion ne sortent jamais à 0°C. Dans la pratique il y a lieu de considérer leur volume à la température à laquelle ils sortent de l’appareil. En considérant les produits de combustion comme des gaz parfaits, on a Vt 1 volume (ou débit) à T 1 K ; Vt 0 volume (ou débit) à 0°C Cours de COMBUSTION – Université de ROUEN 69
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