32. La combustion en excès d'air - Fee@Ales

COMBUSTION
GENERALITES
11. Définition La combustion est une réaction chimique d'oxydation exothermique. Combustible + Comburant Produits de Combustion +Chaleur Gaz ,FOD Air CO2 , H2O, N2, ... 12. Nature et composition Le comburant est l'air atmosphérique dont la composition est la
suivante : Oxygène : O2 Dioxyde de carbone : CO2
Azote : N2 Gaz rares : Néon,
Krypton... En combustion, pour déterminer les quantités d'air théoriques, on
utilise les pourcentages suivants : | |% en Masse |% en Volume |
|O2 |24 |21 |
|N2 |76 |79 | La composition générale des combustibles courants est donnée ci-
dessous : On distingue les combustibles suivants accompagnés de leurs
compositions générales : | |SOLIDE |LIQUIDE |GAZ Hydrocarbures |
|Constituants |C, H2O, Cendres |C ; H2 ; S |Mélanges CnHm, N2,|
| | | |CO2 |
|Combustibles |Charbons, |FOD |Gaz naturels, |
|courants |Anthracites, Bois |Fiouls Lourds n°1 |Butane et Propane |
| | |et 2 |commerciaux, Air |
| | | |propané | |COMBUSTIBLES GAZEUX (% en Volume) |
| |LACQ |GRONINGUE |SAHARA |MER DU |URSS |
| | | |LE HAVRE|NORD | |
|C H4 % |97.3 |82.9 |87 |88.6 |92.3 |
|C2 H6 % |2.1 |3.2 |9.4 |4.6 |3.2 |
|C3 H8 % |0.2 |0.6 |2.6 |1.1 |0.8 |
|C4 H10 % |0.1 |0.2 |0.6 |0.3 |0.2 |
|C5 H12 % | |0.1 | |0.1 |0.1 |
|CO2 % | |1 | |1.4 |0.4 |
|N2 % |0.3 |12 |0.4 |3.9 |3 |
|Masse volumique |0.74 |0.83 |0.82 |0.81 |0.78 |
|kg/m3 | | | | | | |COMBUSTIBLES LIQUIDES (% en Masse) |
| |C % |S % |H % |O % |N % |
|Fiouls domestiques |84.3 |0.5 |12.4 |2 |0.8 |
|(FOD) | | | | | |
|Fiouls lourds n°1 |85 |2 |11.5 |0.7 |0.8 |
|Fiouls Lourds n°2 |85 |2.5 |11 |0.7 |0.8 | Les produits de combustion (fumées) sont constitués de :
Principalement : Eventuellement : 1. Dioxyde de carbone : CO2 5. Oxygène :
O2
2. Anhydride sulfureux : SO2 6. Monoxyde de
carbone :CO
3. Vapeur d'eau : H2O 7. NOx : NO, NO2
4. Azote : N2 8. Hydrogène libre : H2
9. Imbrûlés solides ou
gazeux
La présence et le pourcentage de ces constituants présents dans les
produits de combustion permettront :
a) De définir le type de combustion
b) D'envisager les risques potentiels : - d'asphyxie pour les
personnes
- de corrosion du matériel (chaudière, conduit
de fumées)
- de pollutions atmosphériques
c) D'affiner les réglages du brûleur et d'améliorer les rendements.
Compléments sur les NOx
Ils ne sont pas pris en compte dans les équations de combustion
classique, et sont à l'origine des pluies acides par formation d'acide
nitrique. Dans les chaudières conventionnelles se dégagent exclusivement du
NO, le NO2 se formant grâce à l'oxygène ambiant en sortie de cheminée.
On distingue trois mécanismes de formation de NO :
- le NO primaire (prompt NOx) formé par réaction de l'oxygène libre
présent dans l'excès d'air.
- le NO combustible dû à la présence d'azote organique dans le
combustible (fuels et charbons) et à l'oxygène si la température de
combustion dépasse 1000°C.
- le NO thermique est prédominant dans les chaudières gaz et fuels,
sa formation est lié à la concentration d'oxygène et à la durée de passage
de l'air comburant dans la zone de flamme où la température dépasse 1200°C
(600 ppm à 1600°C).
De nouvelles technologies sur les brûleurs gaz, annihilant quasiment
la flamme (brûleur hémisphérique radiant MATRIX de VIESMANN), ou les
brûleurs à flamme bleue avec vaporisation du fuel et recirculation des
fumées sur la flamme contribuent à une très forte réduction des NOx. 13. Les différents types de combustion
La combustion est complète si la totalité du combustible est oxydée.
A contrario elle est incomplète s'il y a présence de combustible dans les
fumées. La combustion est dite st?chiométrique, neutre ou théorique si l'air
comburant est en quantité suffisante et strictement nécessaire à la
combustion complète de l'unité de combustible. Les fumées ne contiennent
pas d'oxygène. La combustion est oxydante ou en excès d'air si une partie de l'air
comburant est utilisé pour l'oxydation du combustible, l'autre partie se
retrouvant dans les fumées. La combustion est dite réductrice ou en défaut d'air si le volume
d'air admis pour la combustion de l'unité de combustible est inférieur au
volume d'air st?chiométrique ; l'oxygène y est néanmoins totalement utilisé
donc pas de présence d'O2 dans les fumées, mais il y a formation de
monoxyde de carbone (CO).
14. Physico-chimie de la combustion a) Nombre de moles - Masse Molaire - Volume Molaire : Relations Désignations Unités n : Nombre de moles [mol] ou
[kmol]
m : Masse du corps [g] ou
[kg]
M : Masse molaire du corps [g/mol] ou
[kg/kmol] n : Nombre de moles [mol] ou
[kmol]
V : Volume du corps [l] ou
[m3]
Vm : Volume molaire du corps [l/mol] ou
[m3/kmol]
A 0°C, sous la pression atmosphérique normale de 101325Pa, le volume
molaire des gaz est égal à : Vm = 22.4 litres/mol ou Vm = 22.4 m3/kmol b) Caractéristiques chimiques des composants : |NATURE |SYMBOLE |MASSE MOLAIRE |CARACTERISTIQUES |
|DU CORPS |CHIMIQUE |[kg/kmol] |PHYSIQUES |
|OXYGENE |O2 |32 |Densité = 1.1 - Agent actif de la |
| | | |combustion |
| | | |- Inodore, Incolore - Sans saveur |
|AZOTE |N2 |28 |Densité = 0.97 - Gaz neutre |
| | | |- Inodore, Incolore - Sans saveur |
|AIR | |28.9 |Densité = 1 - Air atmosphérique |
|HYDROGENE |H |1 |Densité = 0.07 - Présent dans tous |
| | | |les combustibles |
|CARBONE |C |12 |Etat solide (bois - charbon) |
| | | |Etat liquide ou gazeux |
| | | |(hydrocarbures) |
|SOUFRE |S |32 |Densité = 2.85 - corps solide de |
| | | |couleur jaune |
|GAZ |CO2 |44 |Densité = 1.5 - Dioxyde de carbone |
|CARBONIQUE | | |- Inodore - Saveur acide - Odeur |
| | | |piquante |
| | | |Densité = 0.97 - Mono-oxyde de |
|MONOXYDE DE |CO |28 |carbone |
|CARBONE | | |- Dangereux car toxique - Incolore -|
| | | |Inodore |
| | | |Sans saveur |
|VAPEUR D'EAU |H2O |18 |Présence sous forme liquide ou |
| | | |gazeuse |
c) Equations chimiques élémentaires :
| Combustion (ou oxydation) du carbone : |
| |C |+ |O2 | |CO2 |+ |Chaleur |
| | | | | | | |[kJ] |
|[kmol] |1 | |1 | |1 |+ |394.103 |
|[kg] |12 | |32 | |44 | | |
|[m3] |--- | |22.4 | |22.4 | | |
| |C |+ |½ O2 | |CO |+ |Chaleur |
| | | | | | | |[kJ] |
|[kmol] |1 | |½ | |1 |+ |119.103 |
|[kg] |12 | |16 | |28 | | |
|[m3] |22.4 | |11.2 | |22.4 | | |
| Combustion (ou oxydation) du soufre : |
| |S |+ |O2 | |SO2 |+ |Chaleur |
| | | | | | | |[kJ] |
|[kmol] |1 | |1 | |1 |+ |320.103 |
|[kg] |3