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. Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE 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. Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion 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 Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE Plaquettes PCI : 3,3 à 3,9 kWh/kg Humidité sur brut : 20 à 40 % Masse volumique : 200 à 300 kg/m3 UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 3 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 Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion 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 mn 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 mn O 2 N 2 nCO 2 H 2 On N 2 4 21 2 4 21 Exemple CH4 Exemple C4H10 Expressions massiques Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 5 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 Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 6 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 Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE O2 22.4 l 0.0014 Nm3 UE1 :Thermique F. PAIRE 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−1n 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. Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion 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−1Vao Vf '=Vfo '−1Vao • 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 = Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 9 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 Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 10 Diagramme d'OSTWALD pour FOD Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 11 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 Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 12 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 ' Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion 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) Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE 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 UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion 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 Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 15 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 : " " Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE 5,2 et 13,4 % du mélange 4,7 et 13,7 % du mélange 3,1 et 17,3 % du mélange Combustion page 16 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 Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 17 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. Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 18 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 40,7 COC 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) Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 19 7 ) DOCUMENTATION 7.1 Diagramme de pertes fumées pour le FOD Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 20 7.2 Choix des gicleurs fioul Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 21 Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 22 7.3 Détermination des caractéristiques de combustion des gaz en fonction de leur composition Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 23 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 Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE 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. UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 24 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% Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE 200ppm 0,02% 400ppm 0,04% 800ppm 0,08% 1600ppm 0,16% 3200ppm 0,32% 6400ppm 0,64% 12800ppm 1,28% UE1 :Thermique F. PAIRE 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 Combustion 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 Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 26
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