Combustion 0809

COMBUSTION

N. EL MEJDOUB Combustion (2008/09)

Chapitre I :

Notions sur la combustion et les combustibles

Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

I.1 INTRODUCTION:

La combustion est la plus importante des sources industrielles de chaleur et d'énergie interne (foyers de chaudières, fours industriels, moteur à combustion interne, turbines à gaz, fusées etc..). Elle représente 75 à 80 % de l’énergie produite au monde

On désigne en général sous le nom de combustion une réaction chimique qui s'effectue entre deux corps avec dégagement de chaleur et de phénomènes lumineux.

Combustible + Comburant Produits de combustion + Chaleur

(carburant) (oxydant)Gaz,fioul,Charbon Air, O2 CO2,H2O,N2,


La combustion désigne une réaction chimique au cours de laquelle il y a oxydation complète ou partielle d’un corps. Les réactions d’oxydation sont en général, exothermiques, le terme « combustion » s’applique aux cas où la réaction est suffisamment rapide pour qu’elle se matérialise par une flamme, des étincelles, etc.…


I.1.1 Combustion viveElle s'accompagne avec une forte élévation de

température (elle se fait avec un gros dégagement de chaleur en raison de la vitesse élevée de la réaction).

Exemple : C2H2(g) + 5/2 O2(g) 2CO2(g) + H2O +

1260 kj

I.1.2 Combustion lente

Il ne se produit pas d'élévation de température sensible. La combustion se fait sans flamme ni incandescence (elle dégage peu de chaleur en raison de la vitesse peu élevée).

Exemple :4Fe(s) + 3O2 2F2O3(s) + 105 kj


Un corps ne peut entrer en combustion que s'il a été préalablement porté au dessus d'une température minimale dite température d'inflammation.


Combustibles T°C/Inflammation Combustibles T°C/Inflammation

Hydrogène 550 Carbone 700

Oxyde de carbone 300 Charbon de terre 325

Méthane 650 Charbon de bois 360

Gaz de four à Coke 800 Coke 700

Hydrocarbures lourds 600 à 800 Tourbe 225

Température d'Inflammation de quelques combustibles usuels gazeux, liquides ou solides.

Ce sont les gaz combustibles qui brûlent le plus facilement.

Les combustibles liquides (ainsi que les combustibles solides) doivent être d'abord amenés dans un état finement pulvérisés, ce qui augmente leur surface de contact avec l'oxygène avant d'être introduit dans une chambre portée à température suffisamment élevée où la combustion se développe.

Les corps combustibles industriels contiennent toujours le carbone, presque toujours de l'hydrogène, et plus exceptionnellement du soufre. Ils peuvent également renfermer d'autres éléments ou composés chimiques (oxygène, azote, eau etc..), ainsi que des matières minérales non combustibles (qui se retrouvent dans les cendres), mais qui n'entrent pas directement en jeu dans les réactions chimiques de combustion.

Le comburant usuel est, le plus souvent, le dioxygène contenu dans l’air mais pas toujours !. Les bilans chimiques ci-dessous, sont des bilans de combustion, le comburant est mis entre crochets dans chaque cas:


CH4(g) + 2[O2(g)] CO2(g) + 2H20(g)

3[Cl2(g)] + 2 Fe(s) 2FeCl3(s)

2Mg(s) + [C02(g)] 2MgO(s) + C(s)

I.1.3 Réactions de combustion Ces réactions sont régies par les équations suivantes,

dites équations de combustion.

C + O2 CO2 + 97.6 kcal (1)

H2 + O2 H2O + 69.0 kcal (2)

S + O2 SO2 + 69.2 kcal (3)Les quantités de chaleur qui figurent aux seconds

membres de ces équations sont les chaleurs de combustion; elles se rapportent à la quantité indiquée du corps combustibles (une mole). Elles ont été fournies par mesure. En fait, la combustion du carbone C, peut s'effectuer en deux phases: il y a d'abord formation d'oxyde de carbone CO conformément à l'équation:

C + O2 CO + 29.4 kcal (4)Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

puis l'oxyde de carbone CO brûle à son tour en donnant naissance à de l'anhydride carbonique CO2 conformément à l'équation:

CO + O2 CO2 + 68.2 kcal (5)

L'équation (4) caractérise une combustion incomplète, et l'équation (1); qui est la somme des équations (4) et (5), caractérise la combustion complète.

La température résultant de la combustion dépend de la composition chimique du combustible, de la quantité d'air amenée, ainsi que des températures respectives de l'air et du combustible au moment de la combustion. Elle est d'autant plus élevée que la combustible renferme une plus grande proportion d'éléments eux-mêmes combustibles (C, H et S) et que la quantité d'air amenée se rapproche davantage de la quantité théorique.


I.2 COMBUSTIBLES

I.2.1 Définition Un combustible est une substance (solide, liquide ou

gazeuse) qui peut se combiner facilement avec l’oxygène selon une réaction chimique. Cette combinaison, dite combustion, se manifeste généralement par les flammes ou l’incandescence des corps qui brûlent et s’accompagne d’un important dégagement de chaleur. Dans la pratique, l’oxygène utilisé dans la combustion provient de l’air.

Les combustibles utilisés dans l'industriea) Combustibles Solides:

Les différents types de charbons, Coke, Tourbe, Bois.b) Combustibles liquides:

Mis à part les combustibles liquides utilisés dans les moteurs (fiouls et gasoil), l'industrie n'emploi guère, pour le chauffage des chaudières et des fours, que des huiles minérales provenant de la distillation:


- du mazout;- des goudrons de houille;- de certains schistes bitumineux.

c) Combustibles Gazeux:Les principaux combustibles utilisés dans l'industrie

sont:- Le gaz de fours à Coke, de composition similaire à celle

du gaz de ville, et qui provient de la pyrogénation en vase clos de la houille dans le four à coke.

- Le gaz de gazogène, obtenu par combustion incomplète d'un combustible solide (anthracite) dans les foyers spéciaux appelés gazogène.

- Le gaz de haut fourneau, qui se forme dans les hauts fourneaux producteur de fontes.

- Le gaz naturel, constitué essentiellement d'hydrocarbures légers parmi lesquels du méthane CH4.

- Le gaz de cracking, provenant de la décomposition par la chaleur des hydrocarbures à longues chaîne et qui sont constitués de butane et de propane.



Mécanismes de

fossilisation


Diagramme de VAN KREVELEN


Combustibles fossiles d’origine marine

I.2.2 Composition des combustibles

La composition chimique est une caractéristique importante d’un combustible (elle en définit sa nature). Elle est représentée par les proportions de ses divers constituants (éléments ou composition chimiques) contenues dans une quantité déterminée du combustible, et exprimées soit en masses par unité de masse de combustible, pour les combustibles solides ou liquides, soit en volumes par unité de volume du combustible, pour les combustibles gazeux.

Unités: de masse le kg et de volume le m3N (le mètre cube Normal), qui représente la quantité de gaz qui remplit 1m3

lorsque les conditions de pression et de température sont normales (i.e. 1 bar et 0°C).


La composition générale des combustibles courants est donnée ci-dessous. On y distingue les combustibles suivants accompagnés de leurs compositions générales.

Pour les combustibles liquides (il s’agit des % en masse) :


Solide

C, H2O, Cendres

Liquide

C ; H2 : S

Gaz, Hydrocarbures

Mélanges CnHm, N2 , CO2 Constituants

Combustibles

Courants

Charbons

Anthracites, Bois

FOD

Fiouls lourds n°1 et 2

Gaz naturels, Butane et Propane commerciaux, Air propané

C% S% H% O% N%

Fioul domestiques (FOD 84,3 0,5 12,4 2 0,8

Fioul lourds n°1 85 2 11,5 0,7 0,8

Fioul lourds n°2 85 2 11 0,7 0,8

Pour les combustibles gazeux (il s’agit des % en volume)


LACQ GRONINGUE SAHARA, LE HAVRE MER DU NORD URSS

CH4% 97,3 82,9 87 88,6 92,3

C2H6% 2,1 3,2 9,4 4,6 3,2

C3H8% 0,2 0,6 2,6 1,1 0,8

C4H10% 0,1 0,2 0,6 0,3 0,2

C5H12% - 0,1 - 0,1 0,1

CO2% - 1 - 1,4 0,4

N2% 0,3 12 0,4 3,9 3

(kg/m3)

Mass.vol

0,74 0,83 0,82 0,81 0,78

I.3 COMBURANT L’oxygène nécessaire à la combustion est amené par un

comburant, celui-ci peut être de l’air atmosphérique ou de l’air suroxygéné.

La composition moyenne en volume de l’air atmosphérique sec est la suivante:

Oxygène : 20,8%Azote : 78,2%Argon : 0,93%Hydrogène, Hélium, NéonKrypton, Xénon, Ozone : tracesGaz carbonique : 0,03%

Pour les calculs relatifs à la combustion, nous considérons que la proportion en volume est de 20,8% d’oxygène pour le complément en azote soit 79,2%


La proportion en poids est alors:32 20,8/22,4 = 29,7 g d’oxygène28 79,2/22,4 = 99 g d’azote

Exprimée en pour-cent la proportion en poids d’oxygène et d’azote est la suivante:

[29,7/(29,7+99)] 100 23% d’oxygène [99/(29,7+99)] 100 77% d’azote

Dans certaines applications et notamment en métallurgie, on utilise de l’air suroxygéné pour obtenir des températures de combustion plus élevée. Si on ajoute x m3 d’air atmosphérique, nous aurons (I + x) m3 d’air suroxygéné dont la teneur en oxygène sera:

(0,208 + I)/(I + x) 100A la limite, cette teneur peut atteindre 100% lorsqu’on

effectue une combustion dans l’oxygène pur.Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

I.4 PRODUITS DE COMBUSTIONLa combustion conduit à la formation de résidus solides et

gazeux. Les résidus solides sont constitués par:

- les cendres que l’on recueille dans les foyers sous forme pulvérulente ou à l’état de mâchefers.

- le carbone imbrûlé que l’on trouve dans les cendres ou les mâchefers.

- les particules de fine granulométrie qui se trouvent en suspension dans les fumées et qui constituent les suies.Les résidus gazeux ou fumées sont constitués de:

Principalement Éventuellement 1. CO2 5. O2

2. SO2 6. CO

3. H2O 7. NOx : NO, NO2

4. N2 8. SO3

9. H2

10. Imbrûlées solides ou gazeuxCombustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

La présence et le pourcentage de ces constituants présents dans les produits de combustion permettent:a) de définir le type de combustionb) d’envisager les risques potentiels:

- d’asphyxie pour les personnes- de corrosion du matériel (chaudières, conduits de fumées)- de pollutions atmosphériques

c) d’affiner les réglages du brûleur et d’améliorer les rendements

I.4.1 Compléments sur les NOx

Ils ne sont 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 (fioul et charbons) et à l’oxygène si la température de combustion dépasse 1000°C.

- le NO thermique est prédominant dans les chaudières gaz et fiouls, sa formation est liée 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 fioul et recirculation des fumées sur la flamme contribuent à une très forte réduction des NOx.


I.4.2 Teneur en SO2 et en SO3,corrosion sulfurique

Le soufre présent dans un combustible peut se trouver associé aux matières minérales sous forme de sulfates. Il peut aussi être présent sous forme de composés organiques et de sulfures qui sont détruits lors de la combustion. Le soufre se trouve alors entraîné dans les fumées sous forme de SO2 et SO3.

Certains combustibles comme les fiouls lourds n°2 peuvent contenir jusqu’à 4% de soufre.

En combustion neutre, ce soufre se retrouve sous forme de SO2. Avec un excès d’air, il se produit la réaction:

SO2 + ½ O2 SO3

Cette réaction sera favorisée par une augmentation de la concentration en oxygène donc de l’excès d’air et, comme elle est exothermique, elle sera plus importante à basse température.Le rapport: r = [SO3/(SO3 + SO2)] 100 peut atteindre 3 à 4%.


Lorsqu’il y a condensation de vapeur d’eau, SO3 forme avec celui-ci H2SO4 qui corrode les surfaces métalliques située dans les parties froides du circuit fumées.

Les moyens mis au point contre la formation de H2SO4 et lutter contre les corrosions des surfaces à basse température (au dessous de 150°C), utilisent des produits agissant:

- comme anti-catalyseur de la conversion SO2 SO3

- comme neutralisant de H2SO4 dans les circuits d’utilisationOn peut, dans ce domaine:a) injecter par soufflage dans le foyer des substances solides finement pulvérisées (< 20) comme la magnésie MgO ou la dolomie de quelques kilogrammes (1 à 5) par tonne de fioul.b) mélanger au combustible, au moment du remplissage des réservoirs de stockage, des additifs qui réduisent la conversion de SO2 en SO3


c) injecter en fin de parcours des gaz, soit dans l’appareil d’utilisation, soit dans la cheminée, des substances gazeuses comme le gaz ammoniac. La proportion de gaz doit être déterminée pour ne former que du sulfate neutre d’ammonium.

I.5 MODES DE COMBUSTIONLa 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 stœchiométrique, 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 utilisée 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 stœchiométrique; 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).

I.6 CONDITIONS NÉCESSAIRES À LA COMBUSTIONLa combustion n’est pas spontanée; il ne se fait pas de

mettre en contact un combustible industriel avec l’oxygène pour la déclencher. Il faut, en plus, créer des conditions favorables à l’initiation, au développement et au maintien de cette combustion.

Nous présentons succinctement dans cette section les trois conditions essentielles au processus de combustion: La température du combustible doit être portée et maintenue

à une température suffisamment élevée, supérieure à la température d’inflammation, pour compléter toutes les réactions de combustion.


Un bon mélange entre l’air et le combustible doit être assurer. La composition du mélange doit être adéquate pour assurer des conditions favorables de combustion.

Le temps de séjour du mélange, dans la zone de combustion doit être suffisamment long pour assurer la combustion complète de combustible.

I.6.1 Température d’inflammation

La température d’inflammation est la température minimale en dessous de laquelle le combustible ne peut brûler.Pour initier et maintenir la combustion, il faut donc préalablement porter le combustible au-dessus de cette température et maintenir cette condition dans l’enceinte où se produit la combustion.



Combustibles T°C/Inflammation Combustibles T°C/Inflammation

Hydrogène 550 Carbone 700

Oxyde de carbone 300 Charbon de terre 325

Méthane 650 Charbon de bois 360

Gaz de four à Coke 800 Coke 700

Hydrocarbures lourds 600 à 800 Tourbe 225

Température d'Inflammation de quelques combustibles usuels gazeux, liquides ou solides.

I.6.2 Mélange air-combustibleIl arrive que même avec un excès d’air, une

combustion puisse être incomplète lorsque l’air et le combustible ne sont pas convenablement mélangés. Il est nécessaire d’avoir un mélange air-combustible aussi « intime » que possible pour assurer une combustion complète. Ainsi pour les combustibles liquides, ce mélange « intime » avec l’air est assuré par une atomisation du combustible en fines gouttelettes.

la composition du mélange air-combustible est un paramètre important de la combustion. Il est en effet nécessaire d’avoir des proportions convenables d’air et de combustible pour assurer une combustion complète.

I.6.3 Temps de séjourAprès atomisation, les fines gouttelettes du combustible

doivent passer suffisamment de temps dans la zone de combustion pour rentrer en contact et réagir avec l’oxygène de l’air.


Ainsi un débit d’air trop fort par exemple, limitera le temps de séjour de ces gouttelettes qui seront entraînées dans les fumées avant d’avoir eu le temps de brûler.

I.7 PHYSICO-CHIMIE DE LA COMBUSTIONI.7.1 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 101325 Pa, le volume molaire des gaz est égal à :

Vm = 22.4 litres/mol ou Vm = 22.4 m3/kmol


Mmn M

mn

VmVn

I.7.2 Caractéristiques chimiques des composants


Corps Symbole

Masse molaire

Caractéristiques physiques

Oxygène O2 32g/mol Densité de 1,1 c’est un agent actif de la combustion, qui est incolore, inodore et sans saveur

Azote N2 28g/mol Densité de 0,97 c’est un gaz neutre inodore, incolore et sans saveur

Air 28,9g/mol Densité de 1 Air atmosphérique

Hydrogène H 1g/mol Densité de 0,07, il est présent dans tous les combustibles

Carbone C 12g/mol État solide (bois-charbon), état liquide ou gazeux (hydrocarbures)

Soufre S 32g/mol Densité de 2,85 corps solide de couleur jaune

Gaz carbonique

CO2 44g/mol Densité de 1,5 inodore, saveur acide odeur piquante

Monoxyde de carbone

CO 28g/mol Densité de 0,97 il est dangereux car toxique; incolore, inodore et sans saveur

Vapeur d’eau

H2O 18g/mol Présence sous forme liquide ou gazeuse

I.7.3 Équations chimiques élémentaires

Combustion (ou oxydation) du carbone : C + O2 CO2 + Chaleur

[kJ] [kmol] 1 1 1 + 394.10 3

[kg] 12 32 44 [m3] --- 22.4 22.4

Combustion (ou oxydation) du soufre : S + O2 SO2 + Chaleur [kJ]

[kmol] 1 1 1 + 320.10 3

[kg] 32 32 64[m3] --- 22.4 22.4

Combustion (ou oxydation) du monoxyde de carbone : CO + ½ O2 CO2 + Chaleur

[kJ][kmol] 1 ½ 1 + 284.10 3

[kg] 28 16 44[m3] 22.4 11.2 22.4


Combustion (ou oxydation) de l’hydrogène :H2 + ½ O2 H2O +

Chaleur [kJ][kmol] 1 ½ 1 + 288.103

[kg] 2 16 18[m3] 22.4 11.2 22.4

Combustion (ou oxydation) des hydrocarbures : CnHm + (n+m/4) O2 nCO2 +

(m/2)H2O[kmol] 1 n+m/4 n + m/2[kg] 12n+m 32(n+m/4) 44n 9m[m3] 22.4 22.4(n+m/4) 22.4n 22.4(m/2)


I.8 POUVOIRS CALORIFIQUES I.8.1 Définition

On appelle « pouvoir calorifique » la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d’un kilogramme de combustible solide ou liquide ou d’un m3 de combustible gazeux pris à la température T et à la pression P.

La chaleur ainsi libérée dépend:- des conditions particulières dans lesquelles s’effectue la combustion- de l’état initial du système- de l’état final du systèmeIl sera donc nécessaire de préciser:- le type de combustion réalisée (à pression constante ou à volume constant)- la température et la pression du combustible et du comburant avant la combustionla température et la pression des produits de combustion


- l’état physique de l’eau présente dans les produits de combustion: eau condensée, eau à l’état de vapeur.

Ceci conduit à considérer quatre pouvoirs calorifiques: le pouvoir calorifique supérieur à pression constante (Pcs)p où

l’eau étant condensée, on récupère sa chaleur latente de vaporisation.

le pouvoir calorifique inférieur à pression constante (Pci)p où l’eau reste sous forme de vapeur.

le pouvoir calorifique supérieur à volume constant (Pcs)v où l’eau est à l’état condensée.

le pouvoir calorifique inférieur à volume constant (Pci)v où l’eau se retrouve à l’état vapeur.

Les pouvoirs calorifiques sont exprimés en kcal/kg ou kj/kg, en kcal/m3 ou kj/m3.On sait par ailleurs que :

1 kcal = 4,185 kjCombustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

I.8.2 Relation entre le pouvoir calorifique à pression constante et le pouvoir calorifique à volume constant

Les pouvoirs calorifiques sont déterminés expérimentalement par calorimétrie. Le combustible et le comburant sont pris à la température initiale TI et la pression PI. On effectue la combustion à pression ou à volume constant. On ramène les produits de combustion à la température initiale (TF = TI) et on détermine la quantité de chaleur dégagée.

Entre l’état initial (I) et l’état final (F), on peut appliquer le principe de l’équivalence (1er principe de la thermodynamique); on obtient la relation: W + Q = UF - UI

Si la combustion est effectuée à volume constant, le travail est nul et l’on déduit:

- (Pc)V = UF - UI


Ou encore (Pc)V = UI – UF

Si la combustion est effectuée à pression constante, le travail de la dilatation a pour expression:

W = - P (VF – VI)

On en déduit :-(Pc)P = (UF + PVF) - (UI + PVI) = HF – HI

(différence d’enthalpie)Finalement: (Pc)P = HI – HF

La différence entre le pouvoir calorifique à pression constante et le pouvoir calorifique à volume constant est:

(Pc)P - (Pc)V = ( HI – UI) – (HF – UF) = P (VI – VF)


Application:Brûlons du carbone pur. La réaction d’oxydation est:

C + O2 CO2

En négligeant le volume de carbone devant le volume du comburant est le volume des produits de combustion, on en déduit: Vo2 = Vco2, i.e, VI = VF

Le travail de dilatation est nul et: (Pc)P = (Pc)V

Brûlons du méthane à la pression atmosphérique. La réaction d’oxydation est: CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

Si l’eau est à l’état de vapeur, le volume de combustible est du comburant ( VI) est égal au volume des produits de combustion (VF) et (Pci)P = (Pci)V

Si l’eau est condensé, la différence entre VI et VF est :Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

VI – VF = 2 volume de gaz brûlé

Comme le pouvoir calorifique est ramené au m3 de gaz brûlé:VI – VF = 2 m3

La pression atmosphérique = 101325 Pa, on aura:W = 101325 2 = 202,650 kj = 48,4 kcal

ou encore: (Pcs)P - (Pcs)V = 48,4 kcal/m3 = 202,65 kj/m3

.

Le (Pcs)P du méthane égale à 9500 kcal/m3.

D’où, généralement on ne fait pas de distinction entre le (Pc)P et le (Pc)V pour des pressions voisines de la pression atmosphérique


1.8.3 Influence de la température du combustible, du comburant et des produits de combustion sur le pouvoir calorifique rapporté à l’unité de masse.

Les pouvoirs calorifiques sont exprimés par rapport à une température et une pression de référence.

normales : température de 0°C, pression atmosphérique standard : température de 25°C, pression atmosphérique

Lors de l’expérimentation, le combustible, le comburant et les produits de combustion sont pris à la température ambiante laquelle diffère des conditions de référence. Quelle est l’erreur commise ? Si nous nous référons aux pouvoirs calorifiques déterminés à pression constante, nous pouvons écrire:

(Pc)0°,P = HI - HF

(Pc)T,P = HI’ - HF’


On en déduit: (Pc)T,P - (Pc)0°,P = (HI’ - HI) – (HF’ - HF)

Or HI’ - HI = M Cp T

HF’ - HF = M’ C’p TExpressions dans les quelles:

M Cp = somme des capacités calorifiques à pression constante du combustible et du comburant

M’ C’p = somme des capacités calorifiques à pression constante des produits de combustionOn en déduit:

(Pc)T,P - (Pc)0°,P = M Cp T - M’ C’p TA volume constant, on aurait une expression similaire:

(Pc)T,V - (Pc)0°,V = M CV T - M’ C’V Tavec:

M Cv = somme des capacités calorifiques à volume constant du combustible et du comburant

M’ C’V = somme des capacités calorifiques à volume constant des produits de combustion


Les applications numériques montrent qu’au voisinage de la température ambiante, la correction est négligeable.

(Pc)T,P (Pc)0°,P

1.8.4 Cas des combustibles gazeux

Pour les combustibles gazeux, le pouvoir calorifique est généralement rapporté à l’unité de volume exprimé dans les conditions normales (0°C, 760 mmHg).On sait que la masse volumique est la masse de l’unité de volume. Par application du paragraphe précédent, on en déduit le pouvoir calorifique volumique par la relation:

d’où:


P,0PT, ρPc

ρPc

ρρ

PT,

,7600PT,,7600 PcPc

L’application de la loi des gaz parfaits donne directement le pouvoir calorifique rapporté au volume normal, soit:

1.8.5 Relation entre le pouvoir calorifique supérieur Pcs et le pouvoir calorifique inférieur Pci:

Par définition, la différence entre le Pcs et le Pci représente la chaleur latente de condensation de la vapeur d’eau présente dans les fumées. Celle-ci provient de l’eau du combustible et de la combustion de l’hydrogène.

a) Combustibles solides:

Le pouvoir calorifique peut s’exprimer :- sur combustible pur (supposé sans eau ni cendres)


P760

273TPcPc PT,,7600

- sur combustible sec (supposé sans eau)- sur combustible sec à l’air lorsqu’il est rapporté à la masse de combustible supposé ne contenir que l’eau de rétention et les cendres- sur combustible brut lorsqu’il rapporté au combustible réel (contenant l’eau superficielle, l’eau de rétention, les cendres).

Posons :E%: teneur globale en eau du combustible (eau superficielle + eau de rétention)e%: teneur en eau du combustible sec à l’air (eau de rétention)K%: teneur en cendres exprimée sur combustible secH%: teneur en hydrogène sur combustible brut (on exclut de cette teneur l’hydrogène contenu dans l’eau et les cendres)H% (pur): teneur en hydrogène sur combustible pur telle qu’elle figure dans les divers systèmes de classification.la relation:


100E%100

100K%100H%(pur)H%

Permet de relier les deux expressions de la teneur en hydrogène.Par kg de combustible brut, le poids d’eau est:

Le deuxième terme de cette expression représente l’eau formée par la combustion de l’hydrogène. De la relation d’oxydation:

H2 + 1/2 O2 H2O

On constate en effet que 1 kg d’hydrogène conduit à la formation de 9 kg d’eau.

La chaleur latente de condensation de la vapeur d’eau, pour les pressions partielles rencontrées dans les fumées, est de 597 kcal/kg d’eau.On en déduit:


brut ecombustibl de eau/kgd' kg 100H%9100

E%w

ecombustibl de kcal/kg 100H%9100

E%597PciPcs

exprimé su combustible brut:

b) Combustibles liquidesLa différence entre le pouvoir calorifique supérieur et le

pouvoir calorifique inférieur est donnée par une relation identique à celle des combustibles solides. On en déduit:

c) Combustibles gazeuxL’eau présente dans les fumées provient de la vapeur

d’eau que contient le combustible gazeux ainsi que de l’eau formée par combustion de l’hydrogène et des hydrocarbures.Les teneurs: E%/100, H%/100, (CnHm%/100) seront exprimées

par rapport au volume de gaz.



E%597PcsPci


E%597PcsPci

Les équations de combustion s’écrivent:H2 + 1/2 O2 = H2O

1 vol. 1 vol.CnHm + (n + m/4) O2 = n CO2 + m/2 H2O

1 vol. m/2 vol.Le volume de vapeur d’eau contenu dans les fumées est:

Puisque un volume molaire de vapeur d’eau soit 22,4 litres (ou 22,4 m3) correspond à une masse molaire de 18 g (ou 18 kg), on en déduit:

D’où:

Soit: Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

brûlé gaz de N/ 100CnHm%

2m

100H%

100E%V mm 33

OH2

gaz de Neau/d' kg 100CnHm%

2m

100H%

100E%

22,418 w m3

100CnHm%

2m

100H%

100E%

22,418 597 Pci Pcs

100CnHm%

2m

100H%

100E%

22,418 597 Pcs Pci

Remarques:- Si le comburant est de l’air humide, l’eau qu’il apporte est supposée rester à l’état de vapeur et n’intervient pas dans le calcul des pouvoirs calorifiques inférieur et supérieur.- L’hypothèse de la condensation totale de la vapeur d’eau faite pour définir le pouvoir calorifique supérieur n’est pas exactement vérifiée. Dans la détermination expérimentale du Pcs, les gaz de combustion ramenés à la température ambiante, sont presque toujours saturés d’eau. Toutefois, l’erreur est négligeable.

Applications:a) Soit un charbon flambant secs. Sa composition moyenne sur combustible pur est:C%= 82,4%, H%= 5,6%, O%= 10,5%, N%= 1,5%, le Pcs sur pur = 8.150 kcal/kg ou 34.108 kj/kgCalculer le Pci sur pur.


D’où, Pci = 8.150 – 300 = 7.850 kcal/kg ou 32.850 kj/kg

Sur brut, ce charbon à une teneur en eau E%=6%. Sa teneur en cendres est K%=8%. Calculer le Pcs et le Pci.

Teneur en hydrogène sur combustible brut:

Poids d’eau w:


eaud' kg 0,504 1005,6 9 100

H%9w

kcal/kg 3005970,504PciPcs

100E%100

100K%-100H%(pur) H%

4,8% 1006100

1008-1005,6 H%

eaud' kg 0,4920,04890,06100H%9100

E% w

Calcul du Pcs sur brut:

b) Soit un fuel lourd N°2 de composition moyenne:C = 85%, H = 11%, N = 0,5%, S = 2,5%, O = 1%Pcs = 10.250 kcal/kg ou 42.896 kj/kgDans un fuel, la teneur en sédiments et la teneur en eau sont négligeables.Le poids d’eau formée est :


100E%100

100K%100Pcs(pur)Pcs(brut)

kj/kg 29.496 ou kcal/kg 7.048O,940,928.150Pcs(brut) kcal/kg 2945970,492 Pci - Pcs

kj/kg 28.4265 ou charbon kcal/kg 6.754 294 - 7.048 Pci(brut)

fuel kg/kg 0,99100119100

H%9 w

fuel kcal/kg 5915970,99 Pci - Pcs

D’où Pci = 10.250 – 591 = 9.659 Kcal/kg fuel ou 40.423 kj/kgL’écart relatif est:

c) Soit de l’hydrogène pur, son pouvoir calorifique supérieur est:Pcs = 3.090 kcal/m3N ou 12,931 kj/m3N.

Le volume d’eau contenu dans les fumées est:Poids d’eau correspondant:

On en déduit:

Pci = 3.090 – 478 = 2.612 kcal/m3N de gaz ou 10.931 kj/m3N

Écart relatif:


5,7%10010.250591

mV 3OH 1100

100100H%

2

gaz de Nkg/ 0,80122,418w m3

kcal/kg 4785970,80 Pci - Pcs

15,5%1003.090478

L’écart relatif entre le Pcs et le Pci est de l’ordre de:• 2 à 4% pour les charbons• 6 à 8% pour les fuels• 0 è 15% pour les combustibles gazeux.

1.8.6 Détermination expérimentale des pouvoirs calorifiquesa) Détermination du Pcs à volume constant:

La détermination du pouvoir calorifique supérieur à volume constant s’effectue à la bombe calorimétrique par combustion dans l’oxygène pur sous pression, d’un gramme de combustible solide ou liquide. La quantité de chaleur dégagée est utilisée pour élever de T1 à T2 la température d’un poids P d’eau.

L’égalité des quantités de chaleur dégagée et de quantités de chaleur absorbée par l’eau du calorimètre permet de déterminer le pouvoir calorifique supérieur à volume constant.


b) Détermination du Pcs à pression constante:On utilise un calorimètre à circulation d’eau analogue à

une chauffe eau. On réalise la combustion continue du gaz dont on veut connaître le Pc à l’aide d’un brûleur alimenté à débit fixe.Les produits de combustion circulent dans un échangeur parcourus par un débit constant d’eau.En régime établi, on mesure la température de l’eau à l’entrée et à la sortie de l’échangeur, le poids d’eau écoulé, le volume de gaz brûlé.L’égalité des quantités de chaleur cédée et absorbée permet de déterminer le pouvoir calorifique supérieur à pression constante.

1.8.7 Calcul des pouvoirs calorifiques à partir de la composition élémentaire.

a) Combustibles solidesLes combustibles solides sont formés de carbone,

d’hydrogène, de soufre, d’azote, d’oxygène. Si on connaît leur composition élémentaire sur combustible pur, on est tenté de calculer leur pouvoir calorifique supérieur à partir des chaleurs de réaction avec l’oxygène de leurs divers constituants.


Formule de DULONG et PETITPcs = 80,8 C% + 344 H% + 25 S% - (344/8) O% kcal/kg

Cette formule n’est pas satisfaisante pour deux raisons:- l’oxygène est supposé associé à l’hydrogène sous forme d’eau de constitution- les corps simples qui constituent le combustible sont combinés entre eux et l’on ne tient pas compte de l’énergie nécessaire pour vaincre les forces de liaison.

Formules de VONDRACEKPcs = 85 C% + 270 H% + 25 S% - 27 O% Kcal/kgPcs = (89,1 - 0,067 C%) C% + 270 H% + 25 S% - 27 O% kcal/kg

Ces formules sont un peu plus exactes que la formule de DULONG et PETIT mais leur intérêt pratique est très limité.


b) Combustibles LiquidesOn utilise les mêmes formules que pour les combustibles solides

c) Combustibles gazeuxLes combustibles gazeux industriels sont des

mélanges de gaz combustibles comme CO, H2, C2H4, C3H8, C4H10 et d’inertes comme CO2, N2.Si on connaît la composition en volume du gaz utilisé, on pourra calculer son pouvoir calorifique à partir de ses constituants.

Exemple:Calcul du Pcs d’un gaz ayant la composition suivante:

CH4 = 87% ; C2H6 = 9% ; C2H4 = 2,5% ; N2 = 1,5%A partir des tables de PC de divers gaz, on en déduit:


xPc 100x%Pc

NKcal/ 10.16015.2901002,516.815100

99.50010087Pcs m3

0,760

Pouvoirs calorifiques de divers gaz


Gaz Pcs(0,760) (kcal/m3N)

Pci(0,760)

(kcal/m3N)

CO 3.066 3.066

H2 3.090 2.610

CH4 9.500 8.540

C2H6 16.815 15.376

C3H8 24.220 22.301

C4H10 31.800 29.400

C2H4 15.290 14.330

Chapitre II: Combustion Théorique


II.1 DéfinitionComme nous l’avons vu précédemment, la combustion

théorique encore appelée combustion stœchiométrique ou combustion neutre, est une combustion complète sans excès ni défaut d’oxygène (i.e. l’air comburant doit être en quantité suffisante et strictement nécessaire). C’est une combustion idéale dans laquelle les fumées ne contiennent que CO2, H2O, N2, SO2.

On appelle caractéristiques stœchiométriques, les caractéristiques spécifiques de la combustion neutre d’un combustible dans les conditions normales de température et de pression, soit: Le pouvoir comburivore: quantité d’air théorique Le pouvoir fumigène: quantité de fumées produites Le volume de CO2 produit Le volume de H2O produit


II.2 Le pouvoir comburivore

C’est la quantité d’air sec strictement nécessaire et suffisante qu’il faut fournir pour assurer la combustion neutre de l’unité de combustible.

Notation: Il s’exprime en poids (Pa) ou en volume (Va)Unités: [kg N d’air/m3N de combustible]

[kg N d’air/kg N de combustible] [m3 N d’air/m3N de combustible] [m3 N d’air/kg N de combustible]

Relation: Va = VO2 + VN2 avec VO2: volume d’oxygène nécessaire VN2: volume d’azote

Va = VO2/(%O2 en volume dans l’air) = VN2/(%N2 en volume dans l’air)

Soit Va = VO2/0,21 = VN2/0,79

et Pa = m02/0,23 = mN2/0,77


II.3 Les pouvoirs fumigènes

On appelle Pouvoir fumigène le poids ou le volume de fumées dégagées par la combustion neutre d’un kg de combustible solide ou liquide ou d’un m3 N de combustible gazeux. On l’exprime:

a) sur fumées humides lorsque l’eau est à l’état de vapeur: (Pf) et (Vf) Pf : kg N de fumées humides/kg N de combustible ou kg N de fumées humides /m3N de combustible. Vf : m3N de fumées humides/kg N de combustible ou m3N de fumées humides /m3N de combustible

Le poids ou le volume de fumées humides intervient dans le calcul des pertes par chaleur sensible à la cheminée.

b) sur fumées sèches lorsque l’eau présente dans les fumées est condensée (Pf’) et (Vf’)


Pf’ : kg N de fumées sèches/kg N de combustible ou kg N de fumées sèches/m3N de combustible. Vf’ : m3N de fumées sèches/kg N de combustible ou m3N de fumées sèches /m3N de combustible

Le poids ou le volume de fumées sèches intervient dans l’analyse des fumées et le contrôle de la combustion.

II.4 Les proportions des constituantsElles représentent le rapport entre la quantité du

constituant choisi et la quantité totale des fumées, découlant de la combustion neutre de l’unité de combustible. Ayant deux pouvoir fumigènes, on définira donc, pour chaque constituant, deux pourcentages.

a) Pourcentage de CO2

la teneur en CO2 des fumées neutres intervient dans le contrôle de la combustion. On l’exprime sur fumées sèches et on la désigne par ’CO2 %


Relations: CO2 = (VCO2/Vf) 100 et ’CO2 = (VCO2/Vf’) 100

b) Pourcentage de O2:Notation: O2 Unité: [%]

Relations: O2 = (VO2/Vf) 100 et ’O2 = (VO2/Vf’) 100

c) Pourcentage de N2:Notation: N2 Unité: [%]

Relations: N2 = (VN2/Vf) 100 et ’N2 = (VN2/Vf’) 100

b) Pourcentage de H2O:Notation: H2O Unité: [%]

Relation: ’H2O = (VH2O /Vf’) 100


II.5 Composition des combustibles solides, liquides, gazeux

C’est à partir de la composition élémentaire du combustible que l’on calcul le pouvoir comburivore, le pouvoir fumigène et les proportions des constituants (teneur en CO2,…)

a) Combustibles solidesOn connaît les proportions en poids:

- E%: teneur en eau exprimée sur combustible brut- K%: teneur en cendres exprimée sur combustible sec- (C%): teneur en carbone exprimée sur combustible pur- (H%): teneur en hydrogène -- -- -- --- (S%): teneur en soufre -- -- -- -- - (O%): teneur en oxygène -- -- -- --- (N%): teneur en azote -- -- -- --


Nous exprimons les teneurs en carbone, hydrogène, soufre, oxygène, azote sur combustible brut soit:

………………………………

b) Combustibles liquidesLa teneur en eau et la teneur en cendres sont négligeables. On pourra utiliser directement les teneurs C%, H%, S%, O%, N% sur combustible pur.

c) Combustibles gazeuxOn connaît la composition en volume exprimée sur combustible sec. A la température ambiante, la vapeur d’eau associé à un combustible gazeux est négligeable. Il n’ya pas lieu d’effectuée de correction.


100K%100

100E%100(C%)C%

100K%100

100E%100(N%)N%

II.6 Calcul des caractéristiques de la combustion neutre des combustibles solides et liquides

a) Pouvoirs comburivores Pa et VaLe poids d’oxygène nécessaire pour brûler 1 kg de combustible solide (sur brut) ou 1 kg de combustible liquide est donné par l’expression:

Puisque la proportion en poids d’oxygène dans l’air est de 23%, on en déduit le poids de l’air:

On sait par ailleurs que 1 m3 d’air dans les conditions normales pèse 1,293 kg/m3, d’où le volume d’air:


100O%-

100S%

3232

100H%

216

100C%

1232 PO2

ecombustibl de air/kgd' kgP23100 Pa

O

2

ecombustibl de air/kgd' N 1,293PaVa m 3

b) Pouvoirs fumigènes exprimés sur fumées humidesException faite des matières minérales qui constituent les

cendres, on retrouve dans les fumées les autres constituants du combustible. La conservation de la masse permet d’écrire:

Le volume de fumées humides est la somme:- du volume des produits de la combustion VfO2

- du volume des inertes du combustible que l’on retrouve à l’état gazeux Vi

- du volume d’azote VN2 amené par le comburant, ici l’air.

Le calcul de VfO2 s’effectue à partir des équations de combustion:

C + O2 = CO2 soit 22,4 m3 de CO2 pour 12 kg de carboneH2 + ½ O2 = H2O soit 22,4 m3 de H2O pour 2 kg d’hydrogèneS + O2 = SO2 soit 22,4 m3 de SO2 pour 32 kg de soufre

On en déduit:


100K%1Pa100

E%1100K%1PaPf

Les inertes que l’on trouve à l’état gazeux dans les fumées sont constitués par l’eau et l’azote. On aura donc:

La proportion d’azote dans l’air est, en volume, de 79,2% . On en déduit:

En définitive, le pouvoir fumigène exprimé sur fumées humides aura pour expression:

Ou encore


100S%

3222,4

100H%

222,4

100C%

1222,4VfO2

100E%

1822,4

100N%

2822,4Vi

Va10079,2

VN2

NO 22 VVVV iff

Va10079,2

100E%

1822,4

100N%

2822,4

100S%

3222,4

100H%

222,4

100C%

1222,4Vf

c) Pouvoirs fumigènes exprimés sur fumées sèchesLe pouvoir fumigène en poids a pour valeur:

Pf’ = Pf – ww étant le poids d’eau rapporté au kg de combustible brûlé, soit:

finalement:

Le pouvoir fumigène en volume Vf’ est égal au pouvoir fumigène Vf sur fumées humides diminué du volume d’eau, soit

d’où

d) Masse volumique des fumées humides

On aura, sur fumées humides: Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

100H%9100

E%w

100H%9100

E%P'P ff

100H%

222,4

100E%

1822,4V'V ff

Va10079,2

100N%

2822,4

100S%

3222,4

100C%

1222,4'Vf

et sur fumées sèches:

e) Teneur en CO2 des fumées sèches

II.7 Calcul des caractéristiques de la combustion neutre des combustibles gazeux

Ces caractéristiques seront calculées à partir de la composition en volume du gaz.a) Pouvoirs comburivores Pa et Va

Les équations de combustion sont les suivantes:CO + ½ O2 = CO2 soit ½ volume de O2 pour brûler 1 volume de

CO. H2 + ½ O2 = H2O soit ½ volume de O2 pour brûler 1 volume de

H2. CnHm+ (n+m/4)O2 = n CO2 + m/2 H2O soit (n+m/4) O2 pour 1 vol. de

CnHm. Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

ff

VPρf

f'f'

VPρ'f

'V100C%

1222,4

'V100%

ffV 22 COCO α'

Comme il peut y avoir plusieurs hydrocarbures en présence, le volume d’oxygène nécessaire pour brûler 1 m3N de gaz est:

La proportion en volume d’oxygène dans l’air étant de 20,8%, on aura:

d’où l’on tire le poids d’air:Pa = 1,293 Va kg/m3N de gaz.

b) Pouvoirs fumigènes exprimés sur fumées humidesOn retrouve dans les fumées le gaz et l’air. La

conservation de la masse permet d’écrire:Pf = Pa + g avec g : masse volumique du gaz dans les

C.N.P.T. Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

100%O

100%HC

100%H

21

100CO%

21V 2mn2

2 4mnO

gaz de NN/ V20,8100Va mm 33

2O

Le volume de fumées humides est la somme des produits de combustion, des inertes et de l’azote du comburant, d’où:

le calcul de VfO2 s’effectue à partir des équations de combustion:

CO + ½ O2 = CO2 soit 1 volume de CO2 pour 1 volume de CO

H2 + ½ O2 = H2O soit 1 volume de H2O pour 1 volume de H2

CnHm+ (n+m/4)O2 = n CO2 + m/2 H2O soit n volume de CO2 et m/2 volume de H2O pour 1 volume de CnHm brûlé. On en déduit:

à ceci il faut ajouter:- les inertes du combustible:

- l’azote amené par le comburant: Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

NO 22 VVVV iff

100%HC

2m 100

%HCn100

%H100CO%V mnmn2

2Of

100%N

100%CO 22

Va10079,2

Finalement, le volume de fumées humides a pour valeur:

c) Pouvoirs fumigènes sur fumées sèchesPf’ = Pf – w

Le poids d’eau w a pour expression:

d’où

On obtient facilement le pouvoir fumigène en volume Vf’.

d) Masse volumique des fumées humides et des fumées sèches


gaz de Nd'eau/ kg 22,418

100%HC

2m

100%H

w m3mn2

100%HC

2m

100%H

22,418

P'Pmn2

ff

Va10079,2

100%N

100%CO

100%HC

n100CO%

'V22mn

f

ff

VPρf

f'f'

VPρ'f

Va10079,2

100%N

100%CO

100%HC

2m

100

%HCn

100%H

100CO% V

22mnmn2f

e) Teneur en CO2 des fumées sèches:

Le CO2 provient de la combustion du CO et des hydrocarbures, du CO2 sous forme d’inertes. On aura:

II.8 Relation entre le pouvoir calorifique et le pouvoir comburivore

Pour les combustibles solides et liquides, le rapport du pouvoir calorifique supérieur (kcal/kg) au pouvoir comburivore est de l’ordre de 1000

Pour les combustibles gazeux, le rapport du pouvoir calorifique inférieur au pouvoir comburivore est grossièrement

de l’ordre de 1000


'V100

%CO100

%HCn100CO%

'V100%'

ff

2mn

COV 22CO

α

Nkcal/ 1000VaPcs m3

Nkcal/ 1000VaPci m3

Chapitre III: Combustion Pratique


II.1 COMBUSTION OXYDANTEDans un foyer, le temps de contact entre les

éléments combustibles et l’oxygène est très limité. De ce fait, certaines molécules n’ont pas eu la possibilité de s’associer aux molécules d’oxygène. On constate alors la présence d’imbrûlés.

Pour remédier à cet état de choses, on augmente la concentration en oxygène en admettant dans la chambre de combustion un volume d’air VA supérieur au pouvoir comburivore Va. L’excès d’air ainsi mis en œuvre dépend de la nature du combustible brûlé (solide, liquide, gazeux), de sa granulométrie (combustible solide en morceaux), du degré de pulvérisation (combustible liquide, charbon pulvérisé), de la turbulence au foyer, de la chambre de combustion.

L’air en excès est distribué dans la zone de combustion (air primaire) et également en fin de combustion (air secondaire).


Le taux d’excès d’air e% est défini par la relation:

Comme nous l’avons vu, ci-dessus, il dépend de nombreux facteurs.Dans la conception d’un foyer, on peut en se basant sur l’expérience acquise, se fixer à priori le taux d’excès d’air. Toutefois, ce n’est que par le contrôle de la combustion que l’on peut à posteriori déterminer l’excès d’air optimum pour une installation en fonctionnement.Il faut remarquer qu’un excès d’air même important est impuissant à faire disparaître les imbrûlés si le matériel est défectueux (brûleurs en mauvaise état), mal conçu (chambre de combustion mal dimensionnée ou trop froide) ou inadapté au combustible brûlé.

- Chaudières à charbon en grains e%= 50 à 70%- -- -- pulvérisé e%= 30 à 50%- Chaudières au fuel e%= 5 à 20%- Combustion des gaz riches e% = 5 à 10%- -- -- pauvres e% = 0 à 5%


VaVaVA

100e%

La combustion est dite oxydante lorsque les produits de combustion sont exempts d’imbrûlés. La composition des fumées est alors la suivante: N2 – CO2 – H2O, éventuellement SO2 – SO3 , O2.

II.1.1 Expressions du poids PA et du volume VA d’air utiliséSi Pa et Va représentent le pouvoir comburivore en poids et en volume, on aura:

Cette quantité d’air sera exprimée en kg/kg de combustible solide ou liquide, kg/m3N de combustible gazeux, m3N/kg ou m3N/m3N de combustible.

II.1.2 Expressions du poids PF et du volume VF de fumées humidesSi Pf et Vf représentent le pouvoir fumigène en poids et en

volume, on aura:Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

)100e%(1 Pa PA

)100e%(1 Va VA

II.1.3 Expressions du poids PF’ et du volume VF’ de fumées sèches

- Combustibles solides et liquides:

- Combustibles gazeux:

- Combustibles solides, liquides et gazeux:


kg/kg 100K%1)100

e%(1 PaPa100e%PPF f

Nkg/ )100e%(1 PaPa100

e%PPF m3gf

NN/ ou N/kg Va100e%VVF mmm 333f

Nkg/ ou kg/kg Pa100e%P w - PFPF' m3f'

NN/ ou N/kg Va100e%V VF' mmm 333f'

II.1.4 Expressions des teneurs en CO2, O2, N2 des fumées sèches

Désignons par: VCO2, VO2, VN2 les volumes de gaz carbonique, d’oxygène, d’azote présents dans les fumées.’%, ’%, ’% les teneurs en CO2, O2, N2 de ces mêmes fumées. Nous pouvons écrire:

- Teneur en gaz carbonique:

- Teneur en oxygène

-Teneur en azote

L’azote provient du combustible (n en m3/kg ou m3N/m3N) et du comburant .

(1) Va

e%'V

'V%

VF''%

100

100100

f

fCO2

CO2

'V

αα


(2) Va

e%'V

Vae%

VF''%

100

100100

20,8

100f

O2V

ω

(3) Va

e% 'V

e%(1 Va

VF''%

100

100100

79,2

100f

N2V

n)

On remarque que, lorsque le taux d’excès d’air e% croît, les teneurs ’% et ’% en oxygène et azote augmentent. La teneur ’% en CO2 décroît.

II.1.5 Diagramme de GrébelDes expressions (1) et (2), on peut en déduire:

Ajoutons ces deux expressions, on obtient:

qui peut encore se mettre sous la forme:

c’est l’équation d’une droite dans la pente (coefficient angulaire) est:

Va

e%'V

Vae%

'%

100

10020,8

f ω


Va

e%'V

'V '%

100f

f

CO2'

%

1 - 'VVa

e%

'VVae% %'%

f

f

CO2

100

100

20,8

%α'α'ω

% %

- %%20,8CO2

CO2 'α' α'α'

% %

%%

20,8'

' 2 α'CO'd

d

Dans le système de coordonnées ’%, ’% on obtient le diagramme suivant, appelé diagramme de Grébel. Il permet pour chaque combustible, d’obtenir ’% en fonction de ’% ou l’inverse.


Teneur en O2

Ten

eur

en C

O2

’%

’%

(’CO2)1

(’CO2)2

(’CO2)3

20,8%

II.1.6 Diagramme de BunteOn peut faire deux remarques:

- concernant le volume de (SO2 + SO3), celui-ci est faible devant le volume de CO2. On admet donc généralement :

VCO2 = VCO2 + VSO2 + VSO3

- concernant l’azote du combustible. Sauf dans le cas des gaz pauvres, le volume d’azote provenant du combustible est négligeable devant celui provenant du comburant.

Il est donc tout à fait justifié (sauf pour les gaz pauvres) d’exprimer le volume de fumées sèches sous la forme:

VCO2 + VN2 + VO2 = VF’ (4)ou encore, puisque:

VF''% VCO2

100α


VF''% VO2

100

VF''% VN2

100

Et en remplaçant dans (4):

Ce qui conduit à la relation:

Par ailleurs:

D’où

En remplaçant dans la relation (5):

1'%'%'%100100100

γωα


(5) '%'%

Vae%

'V

Va '%

100

100f

100

100100

2,79

1)

%1(

e

Vae%

'V

Va'%

100f

10010020,8

100

%e

Vae%

'%'%

Vae%Va

%'V

10020,8

100

100

10020,8

100f

e

)% 0,208

% 79,2( '% - 100'%

ee

ωα

C’est l’équation d’une droite dans le système de coordonnées ’% et ’% avec comme paramètre l’excès d’air e%.

Pour - ’% = 0 ’% = 100- ’% = 0 ’% = 20,8 e%/(79,2 + e%)

si e% = 0 ’% = 0 si e% = ∞ ’% = (20,8/[(79,2/e%)+1]) – 20,8

Toutes les droites à e% = constante convergent au point d’ordonnée 100. La droite e% = 0 est confondue avec l’axe des ordonnées, la droite e% = ∞ passe par le point d’abscisse 20,8


%

%

20,8%

e% =

0

e% = ∞

e1 %

= cstee

2 % = cste

II.1.7 Diagramme de Bunte-GrébelLa combinaison du diagramme de Bunte et du

diagramme de Grébel donne la construction de la figure suivante:

Remarque: Les combustibles solides contiennent de l’eau des cendres en quantité variable. On démontre que, pour une catégorie de combustible solide, les diagrammes de Bunte et Grébel sont indépendants de ces teneurs (sauf si K% = 100 ou E% = 100, cas sans intérêt pratique)


%

%

20,8 %

e% = ∞

e% =

0

(’CO2)1

(’CO2)2

II.1.8 Contrôle d’une combustion oxydanteLe diagramme de Bunte-Grébel montre qu’une combustion oxydante est entièrement définie lorsque l’on connaît:

- les caractéristiques de la combustion neutre du combustible brûlé (’CO2%, Vf’, Va) ainsi que la teneur ’ % en CO2 des fumées sèches.

- les caractéristiques de la combustion neutre du combustible ainsi que de la teneur ’% en O2 des fumées sèches

- les teneurs ’ % et ’% en CO2 et en O2 des fumées sèches.

a) Contrôle de la combustion oxydante à partir du combustible et de la teneur ’ % en CO2 des fumées sèches.

De la relation:


Va100

V

V100

VF'

V

100 e%'

'%

'%

f

fCO2

CO2

'

αα

On en déduit:

b) Contrôle de la combustion oxydante à partir du combustible et de la teneur ’% en O2 des fumées sèches:

De la relation:

On en déduit:

'%

'- ' %%

Va

V

100

% 'CO2f

α

ααe


Va100

e%V

Va100

e%

100

20,8

VF'

V

100

%

'

'

f

O2

ω

'%20,8

Va

'V

100

% f

'%e

c) Contrôle de la combustion oxydante à partir des teneurs ’ % et ’% en CO2 et en O2 des fumées sèchesDe la relation:

On en déduit:

d) On connaît les caractéristiques de la combustion neutre du combustible ainsi que les teneurs ’ % et ’% en CO2 et en O2 des fumées

L’excès d’air est exprimé par deux relations:


)ωαe% 0,208e%79,2 % 100% (' '

%-%)-(100 0,208%

10079,2%

100e%

'''

ωαω

%-20,8%

VaV

100e%

'''fω

ω

%'%-%CO

Va'V

100%

''e 2f

ααα

Si la valeur de l’excès d’air calculé à partir de ces formules est la même, l’analyse des fumées est exacte. Dans le cas contraire, l’analyse des fumées est entachée d’erreur et il faut vérifier ’% et ’%.

II.1.9 Calcul des pertes de chaleur sensible et de chaleur latente des fumées

Les pertes par chaleur sensible sont dues au rejet des fumées à une température de sortie TS bien supérieure à la température ambiante TA.Si PF est le poids de fumées humides, ces pertes sont données par l’expression :QS = Cmoy PF (TS – TA) kcal/kg ou kcal/m3N de combustible.

Avec: Cmoy: chaleur massique moyenne des fumées (entre 0 et TS°C) soit:

Les pertes par chaleur latente sont dues à la présence de vapeur d’eau, soit: Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

C kcal/kg )20,00006(0,24 TC Smoy

QE = 597 w = Pcs – Pci Kcal/kg ou kcal/m3N de combustible.Dans cette expression:

w: poids d’eau dans les fumées par kg ou m3N de combustible.

II.1.10 Rendement de combustionIl est d’usage de se référer à la température TA et de le

rapporter soit au Pcs, soit au Pci.Soit QP = chaleur perdue

QG = chaleur introduite dans le générateurLe rendement de combustion R% est de la forme:

a) Chaleur qui entre dans le générateur Chaleur latente amenée par kg ou m3N de combustible. C’est le

Pcs ou le Pci exprimé en kcal/kg ou kcal/m3N. Chaleur sensible du combustible lorsqu’il est réchauffé par une

source de chaleur extérieure au générateur (préchauffage d’un fuel lourd ou d’un gaz pauvre) Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

100 )(1R%QQ

G

P

QC = C’ 1 (TC – TA) kcal/kg de combustible

QC = C’ 1 g (TC – TA) kcal/m3N de combustible

C’: chaleur massique du combustible.g: masse volumique du combustible gazeux.

TC: température d’entrée du combustible.

Chaleur sensible du comburant qui peut se trouver à une température T’A supérieure à TA. Cette quantité de chaleur n’est à prendre en compte que si l’air est réchauffé par une source extérieure au générateur.

QA = C’’ A VA (T’A – TA) kcal/kg (kcal/m3N) de combustible

C’’: chaleur massique de l’airA: masse volumique de l’air dans les conditions normales

VA: volume d’air en m3N/kg ou m3N/ m3N de combustible.


b) Chaleur perdue par les fumées et le générateur Pertes de chaleur sensible dans les fumées qui sont rejetées à

une température TS.

QS = Cmoy PF (TS – TA)

ou QS = Cmoy F VF (TS – TA)

F: masse volumique des fumées humides dans les conditions normales

Pertes par chaleur latente des fumées. Elles se limitent ici à la chaleur latente de la vapeur d‘eau

QE= 597 w = Pcs – Pci Pertes par les parois du générateur. Elles sont dûes aux échanges

par convection et rayonnement avec le milieu extérieur et se déterminent expérimentalement.

A titre indicatif, pour les chaudières de chauffage centrale, on aura sensiblement:Chaudières anciennes: 0,05 Pci QPG 0,07 Pci

Chuadières modernes: 0,0025 Pci QPG 0,027 Pci.Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

c) Rendement de combustionOn ne prend pas en compte les pertes par les parois du

générateur. L’expression la plus générale du rendement de combustion est:

II.1.11 Détermination du rendement de combustion par la formule de SER ou de SIEGRET

Les pertes par chaleur sensible des fumées, définies par rapport à la température ambiante TA, s’écrivent:

QS = Cmoy F VF (TS – TA)

On sait par ailleurs que:


100 )Pcs(1R%QQ

QQ

AC

H2OS

100 )Pci(1R%QQ

Q

AC

S

%'%-%CO

Va'V

100%

''e 2f

ααα

On en déduit:

Et:

Les pertes par chaleur sensible deviennent alors:

Pour les installations de chauffage domestiques:QC = 0 QA = 0

Le rendement de combustion R% rapporté au Pci est:

ou

Pour un combustible donné et pour un domaine limité (température TS, excès d’air e%) on peut poser:


)'VV(

'%%'V)

'VV('VV

FFf

FFFF 'CO2

αα

'%%'VVa e%VV 'CO2f

100f'F'

αα

))('V

V('%

%'V TT'ρCQ ASCO

FmoyS FFf 2

αα

100PciPciR% QS

)'%

('V

VPci

%'V100100R% TT'C ASCO2Fmoy

FFf

ααρ

On obtient alors l’expression du rendement d’une combustion oxydante en fonction de la teneur ’% en CO2 des fumées:

a) Pour les combustibles secs et non hydrogénés:

le coefficient XA ne dépend pratiquement pas de l’excès d’air et de TS dans le domaine des chaudières.

b) Pour les combustibles humides et hydrogénés XA dépend de VF/VF’Le coefficient XA varie entre les limites suivantes:

- si e% = 0 VF = Vf VF’ = Vf’ F = fCombustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

Cste 'V

VPci

%'V100FFf 'C

X CO2FmoyA αρ

)'%

(100R% TTX ASA α

1'V'V

'VV

FF

FF

- lorsque e% tend vers l’infini:

II.1.12 Variante de la forme de SER ou SIEGERTOn peut exprimer le volume de fumées VF en fonction

de la teneur en oxygène ’% des fumées. On sait que:

ou encore:


ff V Pci

%'V100 'CX CO2Fmoy

Aαρ

1Va

e%'V

Vae%V

Vae%'V

Vae%V

'VV

100f

100f

100f

100f

FF

'VPci%100 f

'CX CO2Fmoy

Aαρ

%-20,8%

VaV

100e%

'''fω

ω

)'

'('%-20,8

% V Va100e% f

ωω

Par ailleurs:

Et finalement:

Les pertes par chaleur sensible deviennent:

Le rendement de combustion R% rapporté au Pci est :

Pour un combustible donné et pour un domaine limité, on pose:

On obtient l’expression du rendement d’une combustion oxydante à partir de la teneur ’% en O2 des fumées


1)'%

'%('VVa e%VV20,8

f100

f'F'

)'%

('VV20,8

20,8fF'

F'F

20,820,8f

F'FF'F V

V)'%

('VVVVV

))('V

V)(%

('V TTCQ ASFmoyS FF

20,820,8f

'ρ

)%

('Pci

'R%

20,8VVVf20,8

100100 TTC ASFmoy

FF

'ρ

Cste 'Pci

'FF

VVVf20,8

100 FmoyA

C X'

ρ

Les remarques faites précédemment sont applicables.

Pour les combustibles humides et hydrogénés X’A dépend de l’excès d’air. Il varie entre les limites suivantes:

- si e% = 0

- si e% tend vers l’infini:


)%

(R%20,8

100 TTX' ASA '

f20,8

100 VPciFmoy

A

C X'

ρ

f'20,8

100 VPciFmoy

A

C X'

ρ

II.1.13 Valeurs limites (excès d’air = O%) des coefficients XA et X’A pour quelques combustibles (TS = 200°C, TA = 20°C)


Combustible XA X’A

Anthracites (sur pur) 0,715 0,775

Flambants secs (sur purs) 0,7 0,787

Fuel domestique 0,567 0,761

Fuel lourds n°2 0,602 0,782

Gaz naturel 0,44 0,782

Propane commercial 0,501 0,74

II.2 COMBUSTION REDUCTRICE

C’est une combustion incomplète avec défaut d’air qui donne naissance à des fumées qui contiennent des imbrûlés gazeux comme CO et parfois H2 sans oxygène libre.

On la réalise volontairement dans certains fours industriels. La composition des fumées est alors la suivante:

N2 – CO2 – H2O – SO2 – CO si c’est le seul imbrûlé.

II.2.1 Expressions du poids PA et du volume VA d’air utiliséLes expressions du débit d’air données en combustion

oxydante sont toujours valables mais le défaut d’air d% joue le même rôle qu’un excès négatif. On aura:


)d%(1 PaPA100

)d%(1 VaVA100

II.2.2 Expression du poids PF de fumées humidesLa conservation de la masse permet d’écrire:

- Combustibles solides et liquides:

- Combustibles gazeux:

II.2.3 Expression du volume VF de fumées humidesLa réaction: CO + ½ O2 = CO2 conduit à une

contraction du volume par fixation de l’oxygène. S’il y a présence d’imbrûlés sous forme de CO cette contraction ne s’est pas produite. Elle est égale au volume d’oxygène manquant ou à la moitié du volume d’oxyde de carbone, soit:


kg/kg Pa100d%Pf100

K%1)100d%Pa(1100

K%1PAPF

Nkg/ Pad%

PfK%

)d%

(1 PaPAPF m3gg

100100100 ρρ

vV COC 21

10010020,8 Vad%

On en déduit:

Ou encore:

II.2.4 Expression du poids PF’ et du volume VF’ de fumées sèches

II.2.5 Expression des teneurs en CO2, CO, N2 des fumées sèchesNous pouvons écrire:

- Teneur en gaz carbonique:Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

vCO21

100fF Vad%VV

Vad%VVad%Vad%VV100100

79,2f100100

20,8100

fF

Pad%P w - PFPF'100

f'

Vad% '-V Vad% 'V'V100100

79,2%f21

100fF vCO

'V'V'%

FF100vVv COCOCO 22 α

Dans cette expression: = volume de gaz carbonique produit en combustion

neutre:

On en déduit:

- Teneur en oxyde de carbone:


'V'V'%

FF100vVv COCOCO 22 α

V 2CO

'V% f100'V 2

2

COCO

α

v

v'

CO

COCO

21

100f

f100

100 Vad%'V

'V%'%

2

αα

v

vv

CO

COCO

21

100fF100 Vad%'V'V

'%

β

- Teneur en azote

L’égalité

Conduit aux nouvelles expressions des teneurs en CO2, CO et N2 soit:- Teneur en gaz carbonique

- Teneur en oxyde de carbone


v

v

CO

N

21Va

100V

Va100d%1

10079,2n

F100 d%'

)(

'V'%

f

2

Vad%100100

20,821 vCO

Vad%'V

Vad%'V%'%

10010079,2f

10010041,6f

100100

' 2CO

α

α

Vad%'V

Vad%'%

10010079,2f

10010041,6

100

- Teneur en azote

II.2.6 Deuxième diagramme de GrébelEn combustion oxydante, nous avons établi une relation

entre ’% et ’% en utilisant ’CO2% comme paramètre.

Pour la combustion réductrice, il existe également une relation entre ’% et ’% avec comme paramètre ’CO2% . Celle-ci est donnée par l’expression:

Dans le système des coordonnées ’%, ’%, le deuxième diagramme de Grébel est constitué par un ensemble de droites qui convergent en un point d’abscisse ’%= -52,5% et d’ordonnée ’% = 52,5.


Va100100

79,2V

Va100d%1

10079,2n

100 d%'

)('%

f

'%)41,6

'%10079,2

(1 %% 'CO2' ββ

αα

II.2.7 Deuxième diagramme de Bunte

Il représente la corrélation qu’il existe entre ’% et ’% avec comme paramètre d%. Il est constitué par un ensemble de droites d’équation:

qui convergent au point d’abscisse ’% = 0 et d’ordonnée ’% = 100.

II.2.8 Diagramme de Bunte-Grébel La combinaison du diagramme de Bunte et du diagramme de Grébel donne la construction de la figure suivante


)

100d%100d%

1

41,679,2

(1 100% '%'

βα

Diagramme de Bunte-Grébel


100

d% = C

’1

d% = C

’2

d% =

0

d% = C’

3

-52,5

52,5

0

’%

’%

’0 % = C

1 ’

0 % = C2

C1

II.2.9 Contrôle d’une combustion réductriceLe diagramme de Bunte-Grébel montre qu’une combustion

réductrice est entièrement définie lorsque l’on connaît:- Les caractéristiques de la combustion neutre du combustible brûlé (’CO2%, Vf’,Va) ainsi que la teneur ’% en CO2 des fumées sèches.- Les caractéristiques de la combustion neutre du combustible brûlé et la teneur ’% en CO des fumées sèches- Les teneurs ’% et ’% en CO2 et en CO des fumées sèches

II.2.10 Calcul des pertes par chaleur sensible et par chaleur latente des fumées

Comme pour la combustion oxydante, les pertes par chaleur sensible sont données par la relation:

QS = Cm PF (TS – TA) kcal/kg ou kcal/m3N de combustibleLes pertespar chaleur latente sont dues à la présence de vapeur d’eau et d’oxyde de carbone. On aura:

QE = QH20 = 597 w = Pcs –Pci kcal/kg ou kcal/m3N de combustible

QCO = 3066 VCO kcal/kg ou kcal/m3N Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

3066 : pouvoir calorifique de l’oxyde de carbone en

kcal/m3N.

II.2.11 Rendement de combustionL’expression du rendement de combustion est:

Ou

Avec QC et QA : chaleur sensible du combustible et du comburant lorsqu’ils sont réchauffés par une source de chaleur extérieure au générateur.

100 )QAQCPcs

QCOQ OHQS(1R% 2


100 )QAQCPci

QCOQS(1R%

II.3. COMBUSTION MIXTEC’est une combustion complète qui donne naissance à

des fumées qui contiennent des imbrûlées comme CO (exceptionnellement H2) et de l’oxygène libre. L composition des fumées est la suivante:

H2 – CO2 – H2O – CO – O2 et éventuellement SO2 + SO3.

On distingue:- les combustions mi-oxydantes réalisées avec un excès d’air- les combustions mi-réductrices réalisées avec un défaut d’air- les combustions incomplètes avec l’air théorique dans lesquelles e%=d%= 0

II.3.1 Expressions du poids PA et du volume VA d’air utiliséPuisque un défaut d’air joue le même rôle qu’un excès d’air négatif, nous écrirons:

PA = Pa [ 1 ± (e%/100)]VA = Va [1 ± (e%/100)] Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

II.3.2 Expressions du poids PF et du volume VF de fumées humides, du poids PF’ et du volume VF’ de fumées sèches

II.3.3 Expressions des teneurs en CO2, CO,O2 et N2 des fumées sèches

- Expression de la teneur en gaz carbonique:

- Expression de la teneur en oxyde de carbone

Pa100e%

PfPF


VCO21

Va100e%

VfVF

V

V

CO

COCO2

2

1Va

100

e%Vf'

Vf'100

%

100

%

α'α'

V

V

CO

CO

2

1Va

100

e%Vf'

100

%

'

- Expression de la teneur en oxygène

- Teneur en azote

II.3.4 Contrôle d’une combustion mixteLa combustion mixte est entièrement définie lorsque l’on connaît:

- les caractéristiques de la combustion neutre du combustible ainsi que les teneurs ’% et ’% en CO2 et CO des fumées sèches

- les caractéristiques de la combustion neutre ainsi que les teneurs ’% et ’% en CO2 et O2 des fumées sèches

- les caractéristiques de la combustion neutre ainsi que les teneurs ’% et ’% en O2 et en CO des fumées sèches

V

V

CO

CO

2

1Va

100

e%Vf'

2

1Va

100

e%

100

20,8

100

%

'


VCO2

1Va

100

e%Vf'

n)100

e%(1 Va

100

79,2

100

%

'

II.3.5 Diagramme d’OstwaldIl est valable pour un combustible donné et tous les

types de combustion.Il comprend:

- deux demi-axes rectangulaires O ’% et O ’% le long desquels on porte en ordonnées les teneurs en gaz carboniques (’%), en abscisses les teneurs en oxygène (’%)

- la droite de Grébel où se trouvent regroupées toutes les fumées purement oxydantes (teneur en oxyde de carbone ’%=0). Cette droite est graduée en excès d’air e% par son intersection avec les droites de Bunte

- l’axe vertical des ordonnées (’% = 0) où sont groupées toutes les fumées purement réductrices. La projection sur cet axe des intersections de la deuxième droite de Grébel avec les droites de Bunte permet de le graduer en défaut d’air d%

- les fumées neutres sont représentées par le point ’CO2% situé sur l’axe vertical (en ce point ’% = 0, ’% = 0) Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

- les égales teneurs en CO (’% = constante) sont représentées par un réseau de droites parallèles à la première droite de Grébel.- la droite des combustions incomplètes avec l’air théorique ( e% = d%= 0) est menée à partir du point ’CO2% et coupe l’axe des teneurs en oxygène en un point d’abscisse:

Elle partage le plan en deux zones:les combustions mi-oxydantes ( à droite )les combustions mi-réductrices ( à gauche )

- les droites d’égal excès d’air passent par la graduation en excès d’air de la première droite de Grébel et un point de coordonnées ’% = 100, ’% = 200. Ce point étant très éloigné, on peut considérer que ce réseau est formé de droites parallèles dans la partie utile du diagramme d’Ostwald


2100

%%

%CO2

CO2

α'

α'ω'

- les droites d’égal défaut d’air passent par la graduation en défaut d’air de l’axe des ordonnées et un point de coordonnées ’% = 100, ’% = 200. On peut également les considérer comme parallèles dans la partie utile du diagramme.

- la construction d’un diagramme d’un combustible ne fait intervenir que le rapport Vf’/Va et la teneur ’CO2% en CO2 des fumées neutres. Ces deux valeurs restent inchangées lorsque l’on fait varier la teneur en cendres K% et la teneur en eau E%. Le diagramme d’Ostwald établi pour un combustible « pur » reste applicable pour ce combustible pris sur « brut ».

II.3.6 Utilisation du diagramme d’Ostwald pour l’étude d’une combustion mixte

Exemple n°1: Considérons un charbon de la catégorie «ligniteux » ayant pour composition sur pur:

C% = 76,57% - H%= 5,44% - N%= 0,78% - S%= 1,2% - O%= 16,01%. Son Pci est de 7450 kcal/kg.


Les caractéristiques de la combustion neutre de ce charbon sur pur sont:

Pa = 10,13 kg/kg Va = 7,83 m3N/kg Pf = 11,13 kg/kg

Vf = 8,25 m3N/kg Pf’ = 10,64 kg/kg Vf’ = 7,65 m3N/kg

’CO2% = 18,7%

Le diagramme d’Ostwald relatif à ce combustible est représenté sur la figure (distribuée)

Dans les conditions d’utilisation, ce combustible a une teneur en eau E% = 4% et une teneur en cendres (sur combustible sec) K% = 11%.Exprimée sur combustible brute, les teneurs C% - H% - O% - S% - N% devront être multipliées par le facteur:


0,85440,890,96)100K%

)(1100E%

(1

La teneur en cendres sur brut est égale à la teneur en cendres sur sec multipliée par le facteur:

La composition sur combustible brut est alors la suivante :E%= 4% - K% = 10,56% - C%= 65,42% - H%= 4,65% - N

%= 0,67% - S% = 1,02% - O%= 13,68%.Pci = 7450 0,8544 - 597 (E%/100) = 6341 kcal/kg.

Caractéristiques de la combustion neutre sur combustible brut

a) Pouvoirs comburivores Pa et Vakg/kg 1,99

100

13,68

100

1,02

32

32

100

4,65

2

16

100

65,42

12

32PO2


N/kgm 6,69 Va kg/kg 8,65P23

100Pa 3

2O

0,96)100E%

(1

b) Pouvoirs fumigènes Vf’ et Pf’ sur fumées sèches

c) Pouvoirs fumigènes Vf et Pf sur fumées humides

On aurait également :

La différence due à l’utilisation de la masse volumique moyenne des fumées (’f)moyen est faible.

N/kg 6,536,6910079,2

1000,67

2822,4

1001,02

3222,4

10065,42

1222,4

Vf' m3


Kg/kg 8,886,531,36kg/ 1,36 'P N fm)( 3moyenf ρ'

N/kg7,10,520,056,53100

H%

2

22,4

100

E%

12

22,4ff m3 'VV

eau/kgd' kg 0,460,420,04100

H%9

100

E%w

kg/kg 9,340,468,881Wff 'P P

kg/kg 9,54 0,1056 - 1 8,65100

K%-1 a f PP

d) Teneur en CO2 des fumées neutres

On brûle ce combustible et on analyse les fumées. On trouve:’% = 6% ’% = 12%

S’il n’ya pas d’imbrûlés solides, le diagramme d’Ostwald est toujours valable. Reportons le point représentatif des fumées sur ce diagramme. On lit : e% = 31% ’% = 2,1%

e) Calcul de vCO

Effectuons:

On en déduit : vCO = 0,1818 m3N/kg

0,1876,53

1,22

100

%CO2 α'


vCO'V

'V

f100

f100

%

%

'%

'%'%'

'

2CO

2CO

f) Calcul de VF’

g) Calcul de PF

h) Calcul des pertes par chaleur sensible par rapport à la température TA

TS = 200°C TA = 20°C Cm = 0,246 kcal/kg.°C

QS = Cm PF (TS – TA) = 0,246 12,22 (200 – 20) = 551,1 kcal/kg

i) Pertes par chaleur latente dues au CO

QCO = 3066 vCO = 3066 0,1818 = 557 kcal/kg.

j) rendement de combustion

N/kg 8,6950,0916,690,316,5321

Va100e%

Vf'VF' mv 3CO


kg/kg 12,229,548,650,31f100

e%F PPaP

82,5%100 )6341

557551,1-(1100 )

Pci

QCOQS(1R%

II.3.7 Utilisation du diagramme d’Ostwald pour la détermination des entrées d’air parasites

Le circuit fumées est en dépression. Un manque d’étanchéité de ce circuit entraîne des entrées d’air parasites. Ceci peut se produire au niveau de la chambre de combustion, des réchauffeurs d’air ou d’eau, des registres utilisés pour le réglage du tirage.Ces entrées d’air ont pour effet de refroidir les fumées et de diminuer le rendement de combustion. L’analyse des fumées permet de les dépister.


Exemple 2: considérons le diagramme d’Ostwald du carbone pur. Les caractéristiques de la combustion neutre du carbone sont:

Va = 8,974 m3N/kg Vf’ = Vf = 8,974 m3N/kg ’CO2% = 20,8%L’état des fumées avant dilution est représenté au point n°1. Pour ces fumées, on lit sur le diagramme:

’1 = 10% ’1 = 6% ’1 = 8,5% e1 = 9%Le point 2 correspond aux caractéristiques de l’air infiltré:

’2 = 0% ’2 = 20,8% ’2 = 0% le point 3 correspond au mélange fumées-air, soit:

’3 = 7,1% ’3 = 10,3% ’3 = 6% e3 = 55%En se reportant au diagramme d’Ostwald et en utilisant les propriétés des triangles semblables, on peut écrire:

ou encore

''

''

''

''

v

v

23

31

23

31

1

2


0,40920,810,3

10,36

7,1

7,110

v

v

1

2

La longueur du segment 1-3 est proportionnelle au volume v2 d’air infiltré. Celle du segment 3-2 est proportionnelle au volume v1 des fumées avant dilution.

Au point 1, la combustion est mi-oxydante. On peut donc en déduire:

ou encore

d’où: vCO = 0,857 m3N/kg de carbone

Puisque e1% = 9%, on aura:

VF’ = 10,21 m3N/kg de carbone

vCOVf'

Vf'

100

100%

%

%

%%'

'

'

''

2CO

2CO

1

11


v8,9740,208

8,9740,2081,85

10

8,510

CO

0,8572

18,9740,098,974v

2

1Va

100

e%Vf'VF' CO

Le volume v2 d’air infiltré sera:

v2 = 0,409 v1 = 0,409 VF’ = 4,175 m3N/kg de carbone.

On vérifie facilement que la teneur en oxygène ’3%= 10,3%. En effet:

’2 = 10,3%

II.3.8 Utilisation du diagramme d’Ostwald à l’étude d’une combustion avec imbrûlés solides.Le carbone imbrûlé peut se trouver en quantité non négligeable :

- dans les cendres et les mâchefers- dans les suies- dans les fines de tamisage s’il s’agit d’un foyer

alimenté au charbon.Combustion (2008/09)N. EL MEJDOUB

0,1034,17510,21

4,1750,20810,210,06100

20,8

100

6

100

%

vv

vv

21

21

' 3

La teneur en imbrûlés solides 1% est rapportée au combustible brut, et les calculs de combustion s’effectuent sur combustible fictif exprimé sur brut.Pour un charbon, la composition du combustible fictif sera la suivante:

E%

S% -- --N% -- --O% -- --

A partir de cette composition, on pourra calculer les caractéristiques de la combustion neutre du combustible fictif soit (Va)f, (Vf’)f, (Vf)f, (’CO2)f.

La construction du diagramme d’Ostwald ne fait intervenir que le rapport Vf’/Va et ’CO2%.


1% )100

E%-(1 K%

1% )100

K%-)(1

100

E%-(1 C%

)100

K%-)(1

100

E%-(1 H%

Pour appliquer le diagramme d’Ostwald établi sur combustible pur aux combustions avec imbrûlés solides, il faut respecter les conditions suivantes:

On démontre que:

L’utilisation du diagramme d’Ostwald établi sur combustible pur pour l’étude des combustions avec imbrûlés solides entraîne une imprécision d’autant plus importante que 1% est grand.

VaVf'

)VaVf'

(f


100100

%'%' CO2

f

CO2

12

1%

20,8

22,4)

100

K%(1 )

100

E%-(1 Va

12

1%

20,8

22,4)

100

K%(1 )

100

E%-(1Vf'

)VaVf'

(f

12

1%

100

22,4)

100

K%(1 )

100

E%-(1 Vf'

12

1%22,4)

100

K%(1 )

100

E%-(1Vf' %CO2

f%)'( CO2

'

II.3.9 Diagrammes universels de combustionLe diagramme d’Ostwald s’applique à toutes les

combustions mais pour un combustible donné. Il était donc souhaitable d’établir un diagramme valable pour toutes les combustions et tous les combustibles. Pour ce faire, R. Pigrais a utilisé deux nombres sans dimension:

Les expressions des teneurs en CO2, CO, O2 des fumées sèches peuvent alors s’écrire:

100

e%

Vf'

VaX


Vf'vY CO

2

YX1

Y100

'Vf2

1

'Vf

Va

100

%e1

'Vf100

100

%%'%

'

v

v' 2CO

CO

CO2CO

Des diagrammes universels de combustion ont été établis à partir de ces relations:

- Diagramme de Pigrais comprenant deux réseaux fixes ( teneurs en oxygène et teneurs en oxyde de carbone) et un réseau mobile (teneurs en gaz carbonique) que l’on déplace le long d’une glissière en fonction du combustible brûlé. Cette glissière est graduée en valeurs de ’CO2%

- Diagramme circulaire Véron-Dumez comprenant deux réseaux fixes (’% et ’%) et une alidade dont la position dépend du combustible brûlé.

- Diagramme à points alignés Véron-Paignant

2

YX1

Y

'Vf2

1

'Vf

Va

100

%e1

'Vf

100 v

v

CO

CO

'%


2

YX1

2

YX

100

20,8

Vf'2

1

Vf'

Va

100

e%1

Vf'2

1

100

e%

Vf'

Va

100

20,8

100 v

v

CO

CO

'%

ω

Combustion 0809

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