Transcript COMBUSTION Cours et documents ressource

COMBUSTION
Cours et documents ressource
1 ) COMBUSTIBLES ET COMBURANTS
1.1 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
1.2 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
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.
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ρ
kg. Nm-3
0.74
0.78
0.81
0.82
0.83
0,75
1.98
2.6
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.
Principaux combustibles liquides :
Les principaux combustibles liquides sont le fioul (fuel) domestique et fioul lourd, on donne pour ces
combustibles des proportions massiques de carbone, hydrogène, soufre, oxygène, azote, eau
combustible
fioul domestique
fioul lourd
Composition en % massique
S
O
C
H
84.7
85
12.4
11.5
0.1
2
2
0.7
N
H2 O
PCI
kJ. kg-1
PCS
kJ. kg-1
0.8
0.3
0.1
41992
40910
44780
43330
ρ
kg. Nm-3
844
1010
Le principal polluant contenu dans les fiouls est le soufre, sa teneur est donc limitée, l'utilisation des fiouls à
faible teneur en soufre est souvent requise. Les interdictions d'utiliser le fioul lourd viennent souvent de sa
teneur en soufre.
fioul lourd n°2 : S < 3.5 %
fioul lourd N° 1 : S < 2 %
fioul lourd TBTS : S < 1 %
fioul lourd TTBTS : S < 0.55 %
fioul domestique : S < 0.2 %
Principaux combustibles solides :
Le bois, longtemps cantonné dans des usages domestiques, se développe à nouveau dans des installations
collectives, il peut être conditionné sous forme de granulés (pellets) obtenus par compression de sciures ou de copeaux
de bois, il se vendent en sacs (à partir de 25 kg ) ou en vrac à la tonne ou de plaquettes réalisées par broyage de bois, cela permet
la valorisation des bois de production mais aussi des chutes de scieries et de menuiserie ainsi que des bois d'élagage
Ces deux dernières présentations permettent une alimentation automatique des foyers par vis sans fin ou
convoyeur - la bûche est réservée aux chaudières individuelles.
Les caractéristiques de combustion du bois sont très variables, en fonction de l'essence de bois mais surtout en
raison de l'humidité.
Bûches
PCI 1,4 à 2,1 MWh/ stère
Humidité sur brut : 15 à 40 %
Le stère équivaut à un volume apparent de un mètre cube, soit un empilement de rondins ou de quartiers de bois
d'un volume équivalent à celui d'un cube d'un mètre de côté.
Une valeur exprimée en stères exprime le volume apparent du bois, ne tenant pas compte de l'espace existant
entre les bûches.
Granulés de bois
PCI : 4,4 à 4,6 kWh/kg
Humidité sur brut : 5 à 10 %
Masse volumique : 700 à 750 kg/m3
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Plaquettes
PCI : 3,3 à 3,9 kWh/kg
Humidité sur brut : 20 à 40 %
Masse volumique : 200 à 300 kg/m3
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2 ) ETUDE PHYSICO-CHIMIQUE DE LA COMBUSTION
2.1 Combustion complète, stœchiométrique des hydrocarbures (CnHm)
2.1.1
Dans l'oxygène
C n H mn
m
m
O 2  n CO 2 H 2 O
4
2
Exemple CH4
Exemple C4H10
2.1.2
Dans l'air
En première approximation 21 % d'oxygène et 79 % d'azote dans l'air,
m
79
m
m 79
C n H mn O 2  N 2  nCO 2 H 2 On 
N
4
21
2
4 21 2
Exemple CH4
Exemple C4H10
Expressions massiques
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Exemples de combustions neutres (stoechiométriques) de combustibles commerciaux :
Gaz de Lacq , contenant 97.3% de CH4 + 2.1 % de C2H6 + 0.2 % de C3H8 + 0.1 % de C4H10
Combustion de 1 m3 de gaz (pris aux conditions normales de température et de pression)
Aux conditions normales de température et de pression une mole de gaz quel qu'il soit occupe toujours le même volume ( 22.4 l)
Formule chimique
Dans le combustible
CH4
0.973 Nm3
+
2 O2
1.946 Nm3
CO2
0.973 Nm3
+
2 H2O
1.946 Nm3
Formule chimique
Dans le combustible
C2H6
0.021 Nm3
+
7/2 O2
0.0735 Nm3
2CO2
0.042 Nm3
+
3 H2O
0.063 Nm3
Formule chimique
Dans le combustible
C3H8
0.002 Nm3
+
5 O2
0.01 Nm3
3CO2
0.006 Nm3
+
4 H2O
0.008 Nm3
Formule chimique
Dans le combustible
C4H10
0.001 Nm3
+
13/2 O2
0.0065 Nm3
4CO2
0.004 Nm3
+
5 H2O
0.005 Nm3
Combustible
Element
Quantité
Comburant
Coef O2
Produits de la combustion
O2
Coef CO2
(n+m/4)
CO2
N2
(n)
Coef H2O
H2O
(m/2)
CH4
0.973
2
1.946
1
0.973
2
1.946
C2H6
0.021
7/2
0.0735
2
0.042
3
0.063
C3H8
0.002
5
0.010
3
0.006
4
0.008
C4H10
0.001
13/2
0.0065
4
0.004
5
0.005
N2
0.003
0.003
N2 comburant
Gaz lacq
1
2.036
Vao = 9.695
7,659
1.025
Nm3/ Nm3
Vf0 = 8.68
7.662
2.139
Nm3/ Nm3
V'f0 =10.705 Nm3/ Nm3
Proportion maximale de CO2 dans des fumées sèches de gaz de Lacq
γ CO 2 max =
Vao peut être calculé par VO2 +VN2 ou par 1/0,21 VO2
VN2 comburant = 0,79 Vao
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Fioul domestique composition massique : 84.6% de C, 12.4% de H2, 0.2% de S, combustion d'un kilogramme
C
+
12 g
0,847 kg
O2
22.4 l
1,579 Nm3
CO2
22.4 l
1,579 Nm3
H2
+
2g
0,124 kg
1/2 O2
0,5 x 22.4 l
0.694 Nm3
H2O
22.4 l
1,389 Nm3
Combustible
Element Quantité
C
0.847
H2
S
O2
N2
Fioul
0.124
0.001
0.02
0.008
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
1 kg
Coefs
(22,4/12 =)
SO2
22.4 l
0.0014 Nm
Produits de la combustion
CO2
SO2
N2
1,580
H2O
1,866
1.389
11,2
(22,4/32 =)
0.0007
0,7
Nm3/ kg
Proportion maximale de CO2 dans des fumées sèches de FOD
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(22,4/2 =)
2.255
Vao = 10.738
O2
22.4 l
0.0014 Nm3
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0.008
8,483
8.491
N2 comburant
1.580 0.0007
Vf0 = 10.071
Nm3/ kg
V'f0 =11.46
Nm3/ kg
γ CO 2 max =
Combustion
page 6
1.389
2.2 Combustions réelles dans l'air des hydrocarbures
2.2.1
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
N
C n H m⋅ n O 2 N 2  n CO 2 H 2 O1n O 2⋅n 
4
21
2
4
4 21 2
On évite absolument les combustions incomplètes qui sont polluantes
Les proportions de CO dans les fumées d'une chaudière doivent rester de l'ordre de quelques ppm, donc
négligeables dans les calculs.
2.2.2
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
nx CO 2 x CO
m
 y H 2 O y H 2
2
m 79
n  N 2
4 21
m x y
m
] /  n 
4
2
4
Cette combustion est dangereuse et polluante et elle délivre moins d'énergie que la combustion pauvre car elle
comprend obligatoirement des combustions incomplètes.
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3 ) Analyse des produits d'une combustion réelle
3.1 Définitions
3.1.1
•
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)
•
Pouvoir fumigène humide (vfo')
Volume de fumées sèches produit par la combustion stœchiométrique d'une unité de carburant
Volume de fumées humides produit par la combustion stœchiométrique d'une unité de carburant
3.1.2
•
•
•
Caractéristiques de la combustion réelle en excès d'air
Volume d'air spécifique (Va) en Nm3 d'air par unité de carburant
Volume d'air réellement consommé par la combustion d'une 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
Vf =Vfo1Vao
Vf '=Vfo '1Vao
•
Taux de CO2 des fumées sèches
V
 CO2 = CO2
Vf
on peut éventuellement l'exprimer en %
 CO2 =100 .
V CO2
%
Vf
 CO2 est maximum en combustion complète stœchiométrique
•
Taux d'O2 des fumées sèches
 O2 =
V O2
Vf
on peut éventuellement l'exprimer en %
 O2=100 .
V O2
%
Vf
 O2 = 0 en combustion complète stœchiométrique
3.1.3
Utilisation des résultats de l'analyse de combustion pour caractériser l'excès d'air
en combustion complète
V CO2
V CO2
En pratique si on connaît les caractéristiques de la
=
combustion stœchiométrique la mesure de  CO2 permet
Vf
Vfo1.Vao
Vf
Vfo
Vao le calcul de l'excès d'air
=
1.
On peut faire une analyse similaire avec  O2
V CO2
V CO2
V CO2
V
1
1
 = 1 CO2 

Vao  CO2  CO2o
 CO2 =
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Diagrammes de combustion : Diagramme de Biard et diagramme d'Ostwald
Toutes les relations ci-dessus peuvent être traduites sous forme de diagramme quel que soit le type de
combustion
Diagramme de BIARD pour le gaz naturel
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Diagramme d'OSTWALD pour FOD
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