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COMBUSTION Documents de base, compléments au cours

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COMBUSTION
Documents de base, compléments au cours
1 ) DEFINITIONS DE BASE
a) Combustion :
Réaction d'oxydation vive, exothermique, se produisant à haute température entre un combustible
(oxydé) et un comburant (oxydant)
b) Limites d'inflammabilité :
Proportions combustible-comburant minimales et maximales au delà desquelles une combustion ne peut
pas de produire (ces limites dépendent de la pression et de la température ambiantes)
c) Température d'ignition ou température d'inflammation
Température nécessaire en un point quelconque du mélange combustible-comburant pour que la réaction
de combustion débute
d) Point d’éclair d’un combustible liquide
Température minimale du liquide pour que ses vapeurs puissent s’enflammer en présence d’une source
de chaleur les amenant à la température d’inflammation.
e) Combustion complète :
Réaction qui conduit à l'oxydation maximale du combustible
f) Mélange Stoechiométrique (ou neutre)
Mélange combustible – comburant en proportions strictement nécessaires et suffisantes pour obtenir une
combustion complète
g) Conditions normales de température et de pression (CNTP)
Les gaz sont souvent étudiés aux CNTP de manière à avoir une valeur de référence :
• Température (0°C)
• Pression (pression atmosphérique normale 101325 Pa)
h) Pouvoir calorifique supérieur d'un combustible
Le PCS est la quantité de chaleur libérée par la réaction de combustion d'un hydrocarbure
le combustible et le comburant sont pris aux CNTP les produits de combustion sont ramenés à ces
mêmes conditions. Lors du refroidissement des produits de combustion la totalité de l'eau produite est
supposée s'être condensée. La chaleur latente de l'eau contenue dans les fumées est donc récupérée.
i) Pouvoir calorifique inférieur d'un combustible
Le PCI est défini de la même manière que le PCS, mais on considère alors que l'eau contenue dans les
fumées reste sous forme de vapeur
Le PCI et le PCS sont identiques pour des combustibles ne contenant pas d'hydrogène.
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Combustion
page 1
2 ) COMBUSTIBLES ET COMBURANTS
2.1 Atomes et molécules de base
Une mole regroupe environ 6.0221023 unités élémentaires (atomes ou molécules) des corps usuels.
Aux C.N.T.P. une mole de gaz occupe un volume de 22,4 litres
produit
Masse molaire
en [g . mol-1]
Atomes
Hydrogène
Carbone
Azote
Oxygène
Soufre
Produit
Molécules
O2
H2O
CO
N2
CO2
SO2
Alcènes CnH2n
1
12
14
16
32
Alcanes CnH2n+2
Méthane
CH4
Ethane
C2H6
Propane
C3H8
Butane
C4H10
Pentane
C5H12
Masse molaire en
[g . mol-1]
16
30
44
58
72
Ethylène
Propylène
32
18
28
28
44
64
C2H4
C3H6
28
42
2.2 Composition des mélanges comburants et combustibles
Air :
Constituants
Oxygène
Azote
Argon
Gaz carbonique
% en volume
20,95
78,09
0,93
0,03
% en masse
23,15
75,52
1,28
0,05
Principaux gaz commerciaux :
Les gaz naturels utilisés en France sont pour la plupart importés d'Europe du Nord, de Russie ou d'Algérie
Les Gaz de Pétrole liquéfiés (GPL) sont issus du raffinage du pétrole
Nature des gaz
Composition en % volumiques
N2
Gaz
naturels
GPL
Lacq épuré
Fos
Montoir
Mer du nord
Groningue
Sibérie
Propane comm.
Butane comm.
0.3
1
0.6
3.2
14.2
1,8
CO2
CH4
97.3
91.2
88.6
1.4 88.2
1 81.3
0,3 96,2
C2H6
C3H6
2.1
6.5
8.2
5.4
2.9
1,2
2.5
3.2
30
C3H8
0.2
1.1
2
1.2
0.4
0,3
65.5
6.1
PCI
C4H8
C4H10
21.8
0.1
0.2
0.6
0.4
0.2
0,2
2
68.6
kJ. Nm 3
-
36500
38100
39700
37100
33300
35800
91400
118700
PCS
kJ. Nm 3
-
40600
42300
44000
41100
37000
39900
99000
128400
ρ
kg. Nm-3
0.74
0.78
0.81
0.82
0.83
0,75
1.98
2.6
Pour le gaz naturel, on distingue :
• les gaz " type B " distribués dans le Nord de la France ;
• les gaz " type H " distribués sur le reste du territoire.
GAZ "TYPE B (ou L)"
Ils ont un pouvoir calorifique supérieur compris entre 9,5 et 10,5 kWh/Nm³. C'est essentiellement le cas du gaz de Groningue (PaysBas). Ce gaz se distingue par sa teneur élevée en azote.
GAZ "TYPE H"
Ils ont un pouvoir calorifique supérieur compris entre 10,7 et 12,8 kWh/Nm³.
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page 2
Principaux combustibles liquides :
Les principaux combustibles liquides sont le fioul (fuel) domestique et fioul lourd, on donne pour ces
combustibles des proportions massiques de carbone, hydrogène, soufre, oxygène, azote, eau
combustible
fioul domestique
fioul lourd
Composition en % massique
S
O
C
H
84.7
85
12.4
11.5
0.1
2
2
0.7
N
H2 O
PCI
kJ. kg-1
PCS
kJ. kg-1
0.8
0.3
0.1
41992
40910
44780
43330
ρ
kg. Nm-3
844
1010
Le principal polluant contenu dans les fiouls est le soufre, sa teneur est donc limitée, l'utilisation des fiouls à
faible teneur en soufre est souvent requise. Les interdictions d'utiliser le fioul lourd viennent souvent de sa
teneur en soufre.
fioul lourd n°2 : S < 3.5 %
fioul lourd N° 1 : S < 2 %
fioul lourd TBTS : S < 1 %
fioul lourd TTBTS : S < 0.55 %
fioul domestique : S < 0.2 %
Principaux combustibles solides :
Le bois, longtemps cantonné dans des usages domestiques, se développe à nouveau dans des installations
collectives, il peut être conditionné sous forme de granulés (pellets) obtenus par compression de sciures ou de copeaux
de bois, il se vendent en sacs (à partir de 25 kg ) ou en vrac à la tonne ou de plaquettes réalisées par broyage de bois, cela permet
la valorisation des bois de production mais aussi des chutes de scieries et de menuiserie ainsi que des bois d'élagage
Ces deux dernières présentations permettent une alimentation automatique des foyers par vis sans fin ou
convoyeur - la bûche est réservée aux chaudières individuelles.
Les caractéristiques de combustion du bois sont très variables, en fonction de l'essence de bois mais surtout en
raison de l'humidité.
Bûches
PCI 1,4 à 2,1 MWh/ stère
Humidité sur brut : 15 à 40 %
Le stère équivaut à un volume apparent de un mètre cube, soit un empilement de rondins ou de quartiers de bois
d'un volume équivalent à celui d'un cube d'un mètre de côté.
Une valeur exprimée en stères exprime le volume apparent du bois, ne tenant pas compte de l'espace existant
entre les bûches.
Granulés de bois
PCI : 4,4 à 4,6 kWh/kg
Humidité sur brut : 5 à 10 %
Masse volumique : 700 à 750 kg/m3
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Plaquettes
PCI : 3,3 à 3,9 kWh/kg
Humidité sur brut : 20 à 40 %
Masse volumique : 200 à 300 kg/m3
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Le charbon est de moins en moins utilisé.
On différencie les charbons en fonction de leurs teneurs en matières volatiles, en humidité et en fonctions des
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page 4
3 ) ETUDE PHYSICO-CHIMIQUE DE LA COMBUSTION
3.1 Combustion complète, stœchiométrique des hydrocarbures (CnHm)
3.1.1
Dans l'oxygène
C n H mn
m
m
O  n CO 2 H 2 O
4 2
2
Exemple CH4
Exemple C4H10
3.1.2
Dans l'air
En première approximation 21 % d'oxygène et 79 % d'azote dans l'air,
m
79
m
m 79
C n H mn O 2  N 2  nCO 2 H 2 On  N 2
4
21
2
4 21
Exemple CH4
Exemple C4H10
Expressions massiques
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Exemples de combustions neutres (stoechiométriques) de combustibles commerciaux :
Gaz de Lacq , contenant 97.3% de CH4 + 2.1 % de C2H6 + 0.2 % de C3H8 + 0.1 % de C4H10
Combustion de 1 m3 de gaz (pris aux conditions normales de température et de pression)
Aux conditions normales de température et de pression une mole de gaz quel qu'il soit occupe toujours le même volume ( 22.4 l)
Formule chimique
Dans le combustible
CH4
0.973 Nm3
+
2 O2
1.946 Nm3
CO2
0.973 Nm3
+
2 H2O
1.946 Nm3
Formule chimique
Dans le combustible
C2H6
0.021 Nm3
+
7/2 O2
0.0735 Nm3
2CO2
0.042 Nm3
+
3 H2O
0.063 Nm3
Formule chimique
Dans le combustible
C3H8
0.002 Nm3
+
5 O2
0.01 Nm3
3CO2
0.006 Nm3
+
4 H2O
0.008 Nm3
Formule chimique
Dans le combustible
C4H10
0.001 Nm3
+
13/2 O2
0.0065 Nm3
4CO2
0.004 Nm3
+
5 H2O
0.005 Nm3
Combustible
Element
Quantité
Comburant
Coef O2
Produits de la combustion
O2
Coef CO2
(n+m/4)
CO2
N2
(n)
Coef H2O
H2O
(m/2)
CH4
0.973
2
1.946
1
0.973
2
1.946
C2H6
0.021
7/2
0.0735
2
0.042
3
0.063
C3H8
0.002
5
0.010
3
0.006
4
0.008
C4H10
0.001
13/2
0.0065
4
0.004
5
0.005
N2
0.003
0.003
N2 comburant
Gaz lacq
1
2.036
7,659
1.025
Vao = 9.695 Nm3/ Nm3
7.662
2.139
Vf0 = 8.68 Nm3/ Nm3
V'f0 =10.705 Nm3/ Nm3
Proportion maximale de CO2 dans des fumées sèches de gaz de Lacq
γ CO 2 max =
1.025
= 11.8 %
8.68
Vao peut être calculé par VO2 +VN2 ou par 1/0,21 VO2
VN2 comburant = 0,79 Vao
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Fioul domestique composition massique : 84.6% de C, 12.4% de H2, 0.2% de S, combustion d'un kilogramme
C
+
12 g
0,847 kg
O2
22.4 l
1,579 Nm3
CO2
22.4 l
1,579 Nm3
H2
+
2g
0,124 kg
1/2 O2
0,5 x 22.4 l
0.694 Nm3
H2O
22.4 l
1,389 Nm3
Combustible
Element Quantité
C
0.847
H2
S
0.124
0.001
O2
N2
0.02
0.008
Fioul
1 kg
S
+
32 g
0,001 kg
Comburant
Coef O2
O2
(22,4/12 =)
1.580
1,866
(22,4/4 =)
0.694
5,6
(22,4/32 =)
0.0007
0,7
-0.02
Coefs
(22,4/12 =)
SO2
22.4 l
0.0014 Nm
Produits de la combustion
CO2
SO2
N2
1,580
H2O
1,866
(22,4/2 =)
1.389
11,2
(22,4/32 =)
0.0007
0,7
2.255
Vao = 10.738 Nm3/ kg
Proportion maximale de CO2 dans des fumées sèches de FOD
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O2
22.4 l
0.0014 Nm3
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0.008
8,483
8.491
N2 comburant
1.580 0.0007
Vf0 = 10.071 Nm3/ kg
V'f0 =11.46 Nm3/ kg
γ CO2 max =
1.580
= 15.7 %
10.071
Combustion
page 7
1.389
3.2 Combustions réelles dans l'air des hydrocarbures
3.2.1
Avec excès d'air (combustion pauvre )
=
air réel
1
air stoechiométrique
λ= coefficient d'aération
1
φ = richesse
= 1

Si la combustion est complète on obtient :
m
79
m
m
m 79
C n H m⋅ n O 2 N 2  n CO 2 H 2 O−1n O 2⋅n  N 2
4
21
2
4
4 21
3.2.2
Avec manque d'air (combustion riche)
=
air réel
1
air stoechiométrique
λ= coefficient d'aération
1
φ = richesse
= 1

m
79
C n H m⋅ n O 2 N 2 .
4
21
avec =[n
n−x CO 2 x CO
m
 − y H 2 O y H 2
2
m 79
n  N 2
4 21
m x y
m
−
] /  n 
4
2
4
Cette combustion est dangereuse et polluante et elle délivre moins d'énergie que la combustion pauvre car elle
comprend obligatoirement des combustions incomplètes.
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page 8
4 ) Analyse des produits d'une combustion réelle
4.1 Définitions
4.1.1
•
Caractéristiques de la combustion stœchiométrique
Pouvoir comburivore (Vao)
Volume d'air nécessaire et suffisant à une combustion stœchiométrique d'une unité de carburant
•
Pouvoir fumigène sec (Vfo)
Volume de fumées sèches produit par la combustion stœchiométrique d'une unité de carburant
•
Pouvoir fumigène humide (vfo')
Volume de fumées humides produit par la combustion stœchiométrique d'une unité de carburant
4.1.2
Caractéristiques de la combustion réelle en excès d'air
•
Volume d'air spécifique (Va) en Nm3 d'air par unité de carburant
•
Volume des fumées sèches spécifique (Vf) en Nm3 de fumées sèches par unité de carburant
•
Volume de fumées sèches produit par la combustion réelle d'une unité de carburant
Volume des fumées humides spécifique (Vf ') en Nm3 de fumées humides par unité de carburant
Volume de fumées humides produit par la combustion réelle d'une unité de carburant
Volume d'air réellement consommé par la combustion d'une unité de carburant
Vf =Vfo−1Vao
Vf '=Vfo '−1Vao
•
Taux de CO2 des fumées sèches
V CO2
CO2 =
Vf
on peut éventuellement l'exprimer en %
CO2 =100 .
V CO2
%
Vf
CO2 est maximum en combustion complète stœchiométrique
•
Taux d'O2 des fumées sèches
O2 =
V O2
Vf
on peut éventuellement l'exprimer en %
O2=100 .
V O2
%
Vf
O2 = 0 en combustion complète stœchiométrique
4.1.3
Utilisation des résultats de l'analyse de combustion pour caractériser l'excès d'air
en combustion complète
V CO2
V CO2
En pratique si on connaît les caractéristiques de la
=
combustion stœchiométrique la mesure de CO2 permet
Vf
Vfo−1.Vao
Vf
Vfo
Vao le calcul de l'excès d'air
=
−1.
On peut faire une analyse similaire avec O2
V CO2
V CO2
V CO2
V
1
1
 = 1 CO2 
−

Vao CO2 CO2o
CO2 =
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Diagrammes de combustion : Diagramme de Biard et diagramme d'Ostwald
Toutes les relations ci-dessus peuvent être traduites sous forme de diagramme quel que soit le type de
combustion
Diagramme de BIARD pour le gaz naturel
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Diagramme d'OSTWALD pour FOD
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5 ) ETUDE ÉNERGÉTIQUE DE LA COMBUSTION
Quelques valeurs de PCI et PCS
H2
CH4
C2H6
C3H6
C3H8
C4H8
C4H10
en kJ / mole
238.69
283.85
803.98
893.49
1441.84
1578.93
1962.78
2101.48
2091.80
2275.66
2635.32
2821.59
2781.27
3016.74
PCI - PCS
en kJ / Nm3
10656
12672
35892
39888
64368
70488
87624
93816
93384
101592
117648
125964
124164
134676
en kW.h / Nm3
2.96
3.52
9.97
11.08
17.88
19.58
24.34
26.06
25.94
28.22
32.68
34.99
34.49
37.41
Le calcul du PCS à partir du PCI ou inversement se fait facilement à condition de connaître la quantité d'eau
produite par la combustion de l'unité de combustible.
PCS = PCI + m Lv m est la masse d'eau produite par la combustion
Lv est la chaleur latente de vaporisation de l'eau à 0 °C ( 2495 kJ kg-1)
Remarque :
Pour déterminer les pouvoirs calorifiques d'un hydrocarbure, il faut connaître les pouvoirs calorifiques
et proportions de chaque molécule composant le mélange.
Les pouvoirs calorifiques du carbone, de l'hydrogène ne permettent pas d'obtenir un résultat correct, car le craquage de la molécule
hydrocarbure nécessite de l'énergie.
Remarque :
Le rapport PCS / PCI vaut environ 1,11 pour les principaux combustibles gazeux.
5.1 Rendements de combustion des chaudières
Une combustion réelle ne permet pas de recueillir la totalité du PCI ou du PCS sur le fluide caloporteur.
Pertes par les parois de la
chaudière
Chaleur sensible du
combustible et du
comburant
Pouvoir
calorifique
Pertes par les
fumées
(chaleur sensible
et chaleur latente)
Energie utile
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Expressions rapportées à une unité de combustible
Rendement de combustion : C =
PC − pertes fumée
PC
(calculés par rapport au PCI ou au PCS)
Rendement de chaudière : CH =
PC− pertes fumées− pertes chaudière
PC
5.2 Représentation graphique des puissances
Combustions sans condensation
Combustions avec condensation
On s'intéresse aux rendements par rapport au PCI
On s'intéresse aux rendements par rapport au PCS
B
A
C
CH =
A
On calculera la puissance absorbée ou puissance au brûleur par
A = qcombustible x PCI
en [kW PCI]
A' = qcombustible x PCS
en [kW PCS]
C =
B
A'
C
CH =
A'
C =
5.3 Pertes sensibles par les fumées (hors condensation)
Pf = V'f x Cf x (Τf – Τa)
en [KJ. Nm-3 de combustible]
La capacité calorifique des fumées Cf vaut approximativement
1.37 [kJ.Nm-3.K-1]
1,38 [kJ.Nm-3.K-1]
1.39 [kJ.Nm-3.K-1]
pour le charbon
pour le gaz
pour le FOD
Cette valeur peut se calculer à partir de la composition exacte des fumées et de leur température.
En pratique cette formulation est peu utilisée car elle nécessite le calcul préalable de Vf '
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page 13
5.4 Détermination des rendements en fonction des résultats de l'analyse de fumées
Formule de Siegert : Calcul des pertes sensibles des fumées en fonction du combustible (hors condensation)
T
Qs = f ⋅
−T ambiance 
CO2
T
−T ambiance 
C = 100− f ⋅ fumées
CO2
Solides :
fumées
en % du PCI
en % par rapport au PCI
Liquides et gazeux :
A2
 B]
21−O2
A1
Qs = T fumées−T ambiance ⋅[
B ]
CO2
Qs = T fumées−T ambiance ⋅[
en % du PCI
A2
B ]
21−O2
A
C = 100−T fumées−T ambiance ⋅[ 1 B]
CO2
C = 100−T
fumées
TF : Température des Fumées
TA : Température Ambiante
A2 et B : Facteur spécifiques au combustible (cf tab.)
21 : teneur en CO2 de l’air comburant en %
γ O2 : teneur en O2 des gaz de combustion en %
γ CO2 : dioxyde de carbone en %
(calculé sur le CO2max et le O2 dans les analyseurs électroniques)
−T ambiance ⋅[
en % par rapport au PCI
Combustible
A1
A2
B
f
CO2max
fioul domestique
0,5
0,68
0,007
xxx
15,4
Gaz nat.
0,37
0,66
0,009
xxx
11,7
Gaz liquéfié.
0,42
0,63
0,008
xxx
13,9
Bois/Coke
0,74
20,0
Briquette
0,75
19,3
Lignite
0,90
19,2
Houille
0,60
18,5
xxx
xxx
Gaz de coke
0,29
0,6
0,011
Gaz de ville
0,35
0,63
0,011
xxx
11,6
0
0
xxx
13,0
Gaz étalon
En présence de combustion incomplète il faut aussi rajouter les pertes dues à la moindre production de chaleur :
Qimbrules = α .
γ CO
γ CO + γ CO 2
en % du PCI
avec α = 32 pour les gaz, 52 pour les liquides et 69 pour les solides
Formules proposées par GDF
Pour le gaz naturel sans condensation on trouve :
θf - θa
ηC = 100 - (35 λ + 6)
1000
S'il y a condensation : on obtient
θf - θa
ηC = 100 - (35 λ + 6)
+ 6.6 m
1000
ηC = 100 - (35 λ + 6)
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θf - θa
+ 7.6 m
1000
(sur PCI)
(sur PCI) pour les gaz de type H
avec m = masse d'eau condensée en kg par Nm3 de gaz
(sur PCI) pour les gaz de type L
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page 14
Les analyseurs électroniques de fumées ont en mémoire les différentes formules utiles en fonction des combustibles et
donnent directement le rendement en fonction des résultats de l'analyse,
Les analyseurs travaillent sur les fumées sèches, mais ils calculent la quantité d'eau condensée en fonction de la
température des fumées et peuvent ainsi calculer assez correctement le rendement des chaudières à condensation
On peut aussi utiliser des abaques ou règles, spécifiques à chaque combustible et permettant de connaître le rendement
en fonction des caractéristiques de combustion
5.5 Compléments sur la condensation
Le phénomène de condensation se produit lorsque les fumées sont refroidies en dessous d'une limite appelée
point de rosée. Le point de rosée des fumées dépend de leur composition, donc du combustible et de l'excès
d'air.
Rendement sur PCI
Allure type de la courbe de rendement
d'une chaudière à condensation en
fonction de la température d'eau de
retour
Rendement sur PCS
108
97,3
106
95,5
104
93,7
102
91,9
100
90,1
98
88,3
96
86,5
94
84,7
20
40
60
80
température d'entrée d'eau au condenseur
L'augmentation de rendement s'explique
- par le phénomène de condensation
- par le refroidissement sensible supplémentaire
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6 ) PROPAGATION DE LA FLAMME
6.1 Point d'éclair d'un combustible liquide
C'est la température la plus basse où la concentration des vapeurs émises est suffisante pour produire une
déflagration au contact d'une flamme ou d'un point chaud, cette température est généralement très
inférieure à la température d'inflammation
Il ne faut pas confondre le point d'éclair et la température d'inflammation.
La réglementation distingue quatre classes de combustibles
Point d'éclair < 0°C
Liquides particulièrement inflammables
Point d'éclair entre 0 et 55 °C
Liquides inflammables de première catégorie
Point d'éclair entre 55 et 100 °C
Liquides inflammables de deuxième catégorie
Point d'éclair > 100 °C
Liquides peu inflammables
Exemples : essence : - 40 °C , Kérosène : >40 °C, g as-oil > 55 °C
6.2 Température d'inflammation ( température d'auto-inflammation, température d'ignition )
C'est la température à laquelle doit être porté localement un mélange combustible + comburant pour que
la combustion s'amorce et se propage.
Cette température est de l'ordre de
640 °C pour les gaz naturels
600 °C pour un GPL
400 °C pour l'essence
235 °C pour le gas-oil
On amorce donc une combustion avec une flamme (allumette…) ou un arc électrique (2500 °C environ)
Le gas-oil dans un moteur Diesel s'enflamme spontanément car la compression de l'air enfermé dans le cylindre
le porte à une température suffisante au moment de l'injection, le préchauffage de la chambre de combustion
n’est nécessaire qu’au démarrage. Dans les moteurs à essence ou à gaz une bougie d’allumage est nécessaire
pour générer un arc électrique.
6.3 Limites d'inflammabilité des mélanges air-gaz
Pour obtenir une flamme : non seulement il faut porter le mélange comburant-combustible au delà de la
température d'inflammabilité, mais il faut en plus que les proportions comburant-combustible se situent dans
une fourchette qui permette à la combustion de se propager.
Les limites d'inflammabilités des principaux gaz sont données au chapitre
Ces limites évoluent avec la température , exemple pour le méthane :
à 0°C : les limites inférieure et supérieure d'inflammabilité sont de
à 100°C :
"
"
à 400°C :
"
"
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5,2 et 13,4 % du mélange
4,7 et 13,7 % du mélange
3,1 et 17,3 % du mélange
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6.4 Détonation et déflagration…
Une détonation est une inflammation très rapide due à une onde de choc (augmentation brutale de la
pression, donc augmentation de la température et combustion)
La vitesse de propagation peut atteindre plusieurs km . s-1
Une déflagration est une inflammation qui se propage par échauffement et conduction du mélange
combustible, et aussi par diffusion de radicaux libres.
La vitesse de déflagration est beaucoup moins rapide, de l'ordre du m . s-1, elle dépend du combustible et
du comburant (O2 ou air), de leurs proportions, de la température et de la pression .
On évitera donc les combustions détonantes, pour ne s'intéresser qu'aux combustions déflagrantes.
La vitesse de propagation de la flamme (ou vitesse de déflagration) est une donnée importante car elle
conditionne les dimensions d'un brûleur en fonction du débit de mélange air/combustible qu'on veut lui
faire brûler.
La vitesse de déflagration maximale est obtenue pour les proportions stoechiométriques.
Quelques exemples ( aux CNTP):
Méthane
Propane
Hydrogène
Vitesse de déflagration
Pour un mélange air-gaz
Pour un mélange oxygène-gaz
-1
[m . s ]
[m . s-1]
0,38
3,2
0,43
3,6
2,5
8,9
Evolution de la vitesse de déflagration avec les proportions du mélange air-gaz
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La vitesse de déflagration évolue aussi en fonction de la température du mélange
()
m
Vdéflagronti,T1=T1 Vdéflagration ,T 1
=
Vdéflagronti,T0T0 V
déflagration ,T 0
 T1 
T 
 0
m
avec m = 1,74 en régime laminaire et m = 1,65 en régime turbulent
6.5 Vitesse de déflagration et stabilité d'une flamme
Pour qu'une flamme soit stable (d'apparence immobile) : il faut que la vitesse de déplacement du mélange
combustible – comburant corresponde à la vitesse de déflagration
Sur le schéma ci-dessous : on doit avoir Vf = u sin α
u
α
Vf
Vf = vitesse de déflagration u = vitesse d'écoulement du mélange
Quelques règles simples :
Vitesse de déflagration trop faible par rapport à la vitesse d'écoulement du mélange : décollement de la flamme
Vitesse de déflagration trop forte par rapport à la vitesse d'écoulement du mélange : la flamme rentre dans le
brûleur
Pour une même vitesse de déflagration, sur un brûleur à pré mélange, plus u augmente et plus le cône bleu de la
flamme est long.
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6.6 Interchangeabilité des gaz : Indice de WOBBE
Un brûleur prévu pour fonctionner avec un gaz donné peut-il fonctionner avec un autre ?
Deux gaz sont dits interchangeables si, sur un brûleur donné ils permettent de maintenir à la fois :
La même puissance calorifique
La stabilité de la flamme (ni décollement, ni rentrée )
La qualité de combustion (CO en très faible quantité, absences de pointes jaunes sur les flammes,
absence de dépôts d'imbrûlés carbonés)
Indice de Wobbe (Défini par Wobbe en 1926)
W =
PCS
d
avec d : densité par rapport à l'air, W est exprimée dans la même unité qu’un pouvoir calorifique
d = ρgaz/ρair ( d= ρgaz/1,293 aux CNTP)
Deux gaz d'indices de Wobbe identiques , traversant le même gicleur, sous la même pression, donnent des flammes de
même puissance calorifique.
Lorsque deux gaz ont respectivement des indices de Wobbe W1 et W2, afin de garder la même puissance
au brûleur, il faut utiliser l'une des deux relations suivantes :
2
4
 W p1 

  
 ou p 2 = p1  W1   φ1 
φ 2 = φ1  1
W  φ 

 2  2
 W2 p 2 
Pour les diamètres de gicleurs φ et les pressions effectives d'alimentation p
Diagrammes d'interchangeabilité :
La condition énoncée sur l'indice de Wobbe est nécessaire, mais elle n'est pas suffisante: il faut aussi que
les vitesses d'écoulement soient compatibles avec la stabilité de la flamme.
On utilise un autre indice qui s'appelle le potentiel de combustion ( C ) et qui dépend essentiellement des
composants du gaz. (Il existe une corrélation entre la vitesse maximale de déflagration et le potentiel de
combustion)
H 0,3 CH 40,7 COC n H m
C= 2
°u
d
On peut tracer un diagramme d'interchangeabilité en
coordonnées C, W
On peut simplifier l'étude si on compare des gaz de
même nature (GPL entre eux ou gaz naturels entre
eux) leurs potentiels de combustion sont alors très
comparables.
On peut alors se contenter de comparer les indices de
Wobbe.
Si on veut échanger des gaz de natures différentes (gaz naturel avec GPL) il faut s'assurer auprès du
constructeur de la chaudière que le potentiel de combustion des gaz permet bien une adaptation à la
géométrie du brûleur (c'est généralement le cas)
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7 ) DOCUMENTATION
7.1 Diagramme de pertes fumées pour le FOD
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7.2 Choix des gicleurs fioul
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7.3 Détermination des caractéristiques de combustion des gaz en fonction de leur composition
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7.4 Combustion stoechiométrique des gaz naturels : tableau des valeurs fondamentales
Vao
PCI
Vao
Sibérie
7.5 Caractéristiques des gaz naturels distribués en France
Caractéristique
Pouvoir Calorifique Supérieur
(conditions de combustion 0 °C et
1,01325 bar)
Indice de Wobbe (conditions de
combustion 0 °C et 1,01325 bar)
Densité
Point de rosée eau
Point de rosée hydrocarbures
Teneur en soufre total
Teneur en soufre mercaptique
Teneur en soufre de H2S + COS
Teneur en CO2
Teneur en Tétrahydrothiophène
(produit odorisant THT)
Teneur en O2
Impuretés
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Spécification
Gaz de type H (1) : 10,7 à 12,8 kWh/m3(n) (combustion 25°C : 10,67à 12,77)
Gaz de type B (1) : 9,5 à 10,5 kWh/m3(n) (combustion 25°C : 9,48 à 10,47)
Gaz de type H (1) : 13,64 à 15,7 kWh/m3(n) (combustion 25°C :13,6 à 15,66)
Gaz de type B (1) : 12,01(1bis) à 13,0 kWh/m3(n) (combustion 25°C : 11,97 à 12,97)
Comprise entre 0,555 et 0,70.
Inférieur à -5°C à la Pression Ma ximale de Service du réseau en aval du
Raccordement .
Inférieur à -2°C de 1 à 70 bar.
Inférieure à 30 mgS/m3(n).
Inférieure à 6 mgS/m³(n).
Inférieure à 5 mgS/m³(n).
Inférieure à 2,5 %(molaire).
Inférieure à 40 mg/m³(n).
Inférieure à 100 ppmv.
Gaz pouvant être transporté, stocké et commercialisé sans subir de
traitement supplémentaire à l’entrée du réseau.
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Combustibles liquides, comment déterminer rapidement les valeurs fondamentales :
Composant
Air théorique
Vas
[Nm3 .kg-1]
Volume de gaz brûlés
[Nm3 .kg-1]
8,88 C
26,44 H
3,32 S
- 3,33 O
-
1,85 C
11,11 H
0,68 S
0,8 N
1,24 H2O
C en % massique
H en % massique
S en % massique
O en % massique
N en % massique
H2O en % massique
Totaux :
Vas
Produits de
combustion
CO2
H2O
SO2
N2
H2O
Vhs
( Vss = 1,85.C+0,68.S+0,8.N )
7.6 Les dangers du CO
Concentration de CO
dans l’air
30ppm
0,0003%
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200ppm
0,02%
400ppm
0,04%
800ppm
0,08%
1600ppm
0,16%
3200ppm
0,32%
6400ppm
0,64%
12800ppm
1,28%
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Durée d’inhalation et
conséquences
Valeur MAK
Valeur admise pour les ambiances
de travail
Légers maux de tête au bout de 2 à 3
heures
Mal de tête : frontal après 1 à 2
heures, qui s’étend dans tout le
crâne
Vertiges, malaise et spasmes après
45 minutes.
Perte de connaissance après 2
heures
Maux de tête, malaise, vertiges après
20 minutes.
Mort en l’espace de 2 heures
Maux de tête, malaise, vertiges après
5 à 10 minutes.
Mort en l’espace de 30 minutes
Maux de tête et vertiges après 1 à 2
minutes.
Mort en l’espace de 10 à 15 minutes
Mort en l’espace de 1 à 3 minutes
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page 25
8 ) POLLUTION LIÉE À LA COMBUSTION
La pollution de l'air liée à la combustion de combustibles fossiles ou végétaux peut provenir de plusieurs
phénomènes :
Combustion complète des composants du combustible, formant des gaz toxiques ou pouvant devenir
néfastes pour l'environnement une fois dilués dans l'atmosphère.
Exemple : le soufre contenu dans les combustibles donne du SO2, qui associé à l'humidité participe à la formation
de "pluies acides" car contenant du H2SO4
Les valeurs limites de S contenus dans les combustibles sont les suivantes :
FOD : 0,1 % depuis 2008 , FL1 : 2%, FL2 : 4% , FL2 TBTS : 1% ( en masse )
150 [mg Nm-3] pour les gaz livrés par canalisation, en pratique la teneur est de l'ordre de 10[mg Nm-3]
GPL : 100[mg Nm-3], en pratique la teneur est de l'ordre de 10 à 40[mg Nm-3]
Combustion incomplète du carbone conduisant à la formation de CO
Exemple : dans le cas de poêles fonctionnant avec des combustibles solides, le fait de limiter la ventilation des
logements ou l'obstruction des conduits de fumées conduit à la formation de CO, souvent impliqué dans des
intoxications graves.
Formation de NOx (NO2 et NO3 principalement)
Le NOX peut provenir de l'azote contenu dans le combustible, et qui s'oxyde en même temps que les
autres composants - c'est souvent le cas avec les fiouls. (on parle alors de NOx combustible)
Il peut aussi provenir de l'azote de l'air : La température qui règne à l'intérieur de la flamme peut
conduire à la combinaison de l'azote de l'air (ou l'azote du combustible) avec l'oxygène de l'air. (on
parle alors de NOx thermique)
On utilise de plus en plus souvent des brûleurs dits "bas NOx" , la technique principale étant de faire
recirculer des gaz brûlés dans la flamme pour en augmenter le débit et ainsi diminuer la température
interne de la flamme.
Des réglementations locales peuvent venir durcir les réglementations générales (région parisienne, agglomérations de
Lyon, Marseille…) et par exemple interdire tel ou tel combustible lorsque les seuils de pollution de référence sont
atteints.
Il est question d’une obligation d’installer des brûleurs « bas Nox » dans ces zones spécifiques.
(Un brûleur bas Nox permet d’assurer un taux en général inférieur à 100 mg/kWh)
Valeurs limites des principaux polluants ( en mg/kWh) et classes correspondantes
(normes européennes EN 267, 297, 483, 656)
Appareils à combustibles gazeux
Classes
Chaudières
NOx
Appareils à combustibles liquide
Bruleurs à air soufflé
NOx
chaudières
Bruleurs à air soufflé
Gaz 1ere
famille
Gaz 2eme
famille
NOx
CO
NOx
CO
1
≤ 260
≤ 170
≤ 230
≤ 185
≤ 110
≤ 250
≤ 110
2
≤ 200
≤ 120
≤ 180
≤ 120
≤ 80
≤ 185
≤ 110
3
≤ 150
≤ 80
≤ 140
≤ 120
≤ 60
≤ 120
≤ 60
4
≤ 100
5
≤ 70
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