Combustion 0809

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    03-Jul-2015

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<p>COMBUSTION</p> <p>N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>Chapitre I :</p> <p>Notions sur la combustion et les combustibles</p> <p>N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>I.1 INTRODUCTION:La combustion est la plus importante des sources industrielles de chaleur et d'nergie interne (foyers de chaudires, fours industriels, moteur combustion interne, turbines gaz, fuses etc..). Elle reprsente 75 80 % de lnergie produite au monde On dsigne en gnral sous le nom de combustion une raction chimique qui s'effectue entre deux corps avec dgagement de chaleur et de phnomnes lumineux.Combustible + (carburant) Gaz,fioul,Charbon Comburant (oxydant) Air, O2 Produits de combustion CO2,H2O,N2, + Chaleur</p> <p>N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>La combustion dsigne une raction chimique au cours de laquelle il y a oxydation complte ou partielle dun corps. Les ractions doxydation sont en gnral, exothermiques, le terme combustion sapplique aux cas o la raction est suffisamment rapide pour quelle se matrialise par une flamme, des tincelles, etc.</p> <p>N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>I.1.1 Combustion viveElle s'accompagne avec une forte lvation de temprature (elle se fait avec un gros dgagement de chaleur en raison de la vitesse leve de la raction). Exemple : C2H2(g) + 5/2 O2(g) 2CO2(g) + H2O + 1260 kj</p> <p>I.1.2 Combustion lenteIl ne se produit pas d'lvation de temprature sensible. La combustion se fait sans flamme ni incandescence (elle dgage peu de chaleur en raison de la vitesse peu leve). Exemple : 4Fe(s) + 3O2 2F2O3(s) + 105 kj</p> <p>N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>Un corps ne peut entrer en combustion que s'il a t pralablement port au dessus d'une temprature minimale dite temprature d'inflammation.Combustibles Hydrogne Oxyde de carbone Mthane Gaz de four Coke Hydrocarbures lourds TC/Inflammation 550 300 650 800 600 800 Combustibles Carbone Charbon de terre Charbon de bois Coke Tourbe TC/Inflammation 700 325 360 700 225</p> <p>Temprature d'Inflammation de quelques combustibles usuels gazeux, liquides ou solides.N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>Ce sont les gaz combustibles qui brlent le plus facilement. Les combustibles liquides (ainsi que les combustibles solides) doivent tre d'abord amens dans un tat finement pulvriss, ce qui augmente leur surface de contact avec l'oxygne avant d'tre introduit dans une chambre porte temprature suffisamment leve o la combustion se dveloppe. Les corps combustibles industriels contiennent toujours le carbone, presque toujours de l'hydrogne, et plus exceptionnellement du soufre. Ils peuvent galement renfermer d'autres lments ou composs chimiques (oxygne, azote, eau etc..), ainsi que des matires minrales non combustibles (qui se retrouvent dans les cendres), mais qui n'entrent pas directement en jeu dans les ractions chimiques de combustion. Le comburant usuel est, le plus souvent, le dioxygne contenu dans lair mais pas toujours !. Les bilans chimiques ci-dessous, sont des bilans de combustion, le comburant est mis entre crochets dans chaque cas:N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>CH4(g) + 2[O2(g)] 3[Cl2(g)] + 2 Fe(s) 2Mg(s) + [C02(g)]</p> <p>CO2(g) + 2H20(g) 2FeCl3(s) 2MgO(s) + C(s)</p> <p>I.1.3 Ractions de combustion</p> <p>Ces ractions sont rgies par les quations suivantes, dites quations de combustion. C + O2 CO2 + 97.6 kcal (1) S + O2 SO2 + 69.2 kcal (3) H2 + O2 H2O + 69.0 kcal (2)</p> <p>Les quantits de chaleur qui figurent aux seconds membres de ces quations sont les chaleurs de combustion; elles se rapportent la quantit indique du corps combustibles (une mole). Elles ont t 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 conformment l'quation: C + O2 CO + 29.4 kcal (4) N. EL MEJDOUB Combustion (2008/09)</p> <p>puis l'oxyde de carbone CO brle son tour en donnant naissance de l'anhydride carbonique CO2 conformment l'quation: CO + O2 CO2 + 68.2 kcal (5) L'quation (4) caractrise une combustion incomplte, et l'quation (1); qui est la somme des quations (4) et (5), caractrise la combustion complte. La temprature rsultant de la combustion dpend de la composition chimique du combustible, de la quantit d'air amene, ainsi que des tempratures respectives de l'air et du combustible au moment de la combustion. Elle est d'autant plus leve que la combustible renferme une plus grande proportion d'lments eux-mmes combustibles (C, H et S) et que la quantit d'air amene se rapproche davantage de la quantit thorique.N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>I.2 COMBUSTIBLES</p> <p>I.2.1 Dfinition Un combustible est une substance (solide, liquide ou gazeuse) qui peut se combiner facilement avec loxygne selon une raction chimique. Cette combinaison, dite combustion, se manifeste gnralement par les flammes ou lincandescence des corps qui brlent et saccompagne dun important dgagement de chaleur. Dans la pratique, loxygne utilis dans la combustion provient de lair. Les combustibles utiliss dans l'industrie a) Combustibles Solides: Les diffrents types de charbons, Coke, Tourbe, Bois. b) Combustibles liquides: Mis part les combustibles liquides utiliss dans les moteurs (fiouls et gasoil), l'industrie n'emploi gure, pour le chauffage des chaudires et des fours, que des huiles minrales provenant de la distillation:N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>- du mazout; - des goudrons de houille; - de certains schistes bitumineux. c) Combustibles Gazeux: Les principaux combustibles utiliss dans l'industrie sont: - Le gaz de fours Coke, de composition similaire celle du gaz de ville, et qui provient de la pyrognation en vase clos de la houille dans le four coke. - Le gaz de gazogne, obtenu par combustion incomplte d'un combustible solide (anthracite) dans les foyers spciaux appels gazogne. - Le gaz de haut fourneau, qui se forme dans les hauts fourneaux producteur de fontes. - Le gaz naturel, constitu essentiellement d'hydrocarbures lgers parmi lesquels du mthane CH4.</p> <p>- Le gaz de cracking, provenant de la dcomposition par la chaleur des hydrocarbures longues chane et qui sont constitus de butane et de propane.N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>Mcanismes de fossilisation</p> <p>N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>Diagramme de VAN KREVELEN</p> <p>N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>Combustibles fossiles dorigine marine</p> <p>N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>I.2.2 Composition des combustiblesLa composition chimique est une caractristique importante dun combustible (elle en dfinit sa nature). Elle est reprsente par les proportions de ses divers constituants (lments ou composition chimiques) contenues dans une quantit dtermine du combustible, et exprimes soit en masses par unit de masse de combustible, pour les combustibles solides ou liquides, soit en volumes par unit de volume du combustible, pour les combustibles gazeux. Units: de masse le kg et de volume le m3N (le mtre cube Normal), qui reprsente la quantit de gaz qui remplit 1m3 lorsque les conditions de pression et de temprature sont normales (i.e. 1 bar et 0C). </p> <p>N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>La composition gnrale des combustibles courants est donne ci-dessous. On y distingue les combustibles suivants accompagns de leurs compositions gnrales.Constituants Combustibles Courants Solide C, H2O, Cendres Charbons Anthracites, Bois Liquide C ; H2 : S Gaz, Hydrocarbures Mlanges CnHm, N2 , CO2</p> <p>FOD Gaz naturels, Butane et Fiouls lourds n1 et 2 Propane commerciaux, Air propan</p> <p>Pour les combustibles liquides (il sagit des % en masse) :C% Fioul domestiques (FOD Fioul lourds n1 Fioul lourds n2 84,3 85 85 S% 0,5 2 2 H% 12,4 11,5 11 O% 2 0,7 0,7 N% 0,8 0,8 0,8</p> <p>N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>Pour les combustibles gazeux (il sagit des % en volume)LACQ CH4% C2H6% C3H8% C4H10 % C5H12 % CO2% N2% (kg/m3) Mass.vol 97,3 2,1 0,2 0,1 0,3 0,74 GRONINGUE 82,9 3,2 0,6 0,2 0,1 1 12 0,83 SAHARA, LE HAVRE MER DU NORD 87 9,4 2,6 0,6 0,4 0,82 88,6 4,6 1,1 0,3 0,1 1,4 3,9 0,81 URSS 92,3 3,2 0,8 0,2 0,1 0,4 3 0,78</p> <p>N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>I.3 COMBURANT</p> <p>Loxygne ncessaire la combustion est amen par un comburant, celui-ci peut tre de lair atmosphrique ou de lair suroxygn. La composition moyenne en volume de lair atmosphrique sec est la suivante: Oxygne : 20,8% Azote : 78,2% Argon : 0,93% Hydrogne, Hlium, Non Krypton, Xnon, Ozone : traces Gaz carbonique : 0,03% Pour les calculs relatifs la combustion, nous considrons que la proportion en volume est de 20,8% doxygne pour le complment en azote soit 79,2%N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>La proportion en poids est alors: 32 20,8/22,4 = 29,7 g doxygne 28 79,2/22,4 = 99 g dazote Exprime en pour-cent la proportion en poids doxygne et dazote est la suivante: [29,7/(29,7+99)] 100 23% doxygne [99/(29,7+99)] 100 77% dazote Dans certaines applications et notamment en mtallurgie, on utilise de lair suroxygn pour obtenir des tempratures de combustion plus leve. Si on ajoute x m3 dair atmosphrique, nous aurons (I + x) m3 dair suroxygn dont la teneur en oxygne sera: (0,208 + I)/(I + x) 100 A la limite, cette teneur peut atteindre 100% lorsquon effectue une combustion dans loxygne pur.N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>I.4 PRODUITS DE COMBUSTION</p> <p>La combustion conduit la formation de rsidus solides et gazeux. Les rsidus solides sont constitus par: - les cendres que lon recueille dans les foyers sous forme pulvrulente ou ltat de mchefers. - le carbone imbrl que lon trouve dans les cendres ou les mchefers. - les particules de fine granulomtrie qui se trouvent en suspension dans les fumes et qui constituent les suies. Les rsidus gazeux ou fumes sont constitus de: Principalement ventuellement 1. CO2 5. O2 2. SO2 6. CO 3. H2O 7. NOx : NO, NO2 4. N2 8. SO3 9. H2 10. Imbrles solides ou gazeuxN. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>La prsence et le pourcentage de ces constituants prsents dans les produits de combustion permettent: a) de dfinir le type de combustion b) denvisager les risques potentiels: - dasphyxie pour les personnes - de corrosion du matriel (chaudires, conduits de fumes) - de pollutions atmosphriques c) daffiner les rglages du brleur et damliorer les rendements</p> <p>I.4.1 Complments sur les NOxIls ne sont pris en compte dans les quations de combustion classique, et sont lorigine des pluies acides par formation dacide nitrique. Dans les chaudires conventionnelles se dgagent exclusivement du NO, le NO2 se formant grce loxygne ambiant en sortie de chemine.</p> <p>N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>On distingue trois mcanismes de formation de NO: - le NO primaire (prompt Nox) form par raction de loxygne libre prsent dans lexcs dair. - le NO combustible d la prsence dazote organique dans le combustible (fioul et charbons) et loxygne si la temprature de combustion dpasse 1000C. - le NO thermique est prdominant dans les chaudires gaz et fiouls, sa formation est lie la concentration doxygne et la dure de passage de lair comburant dans la zone de flamme o la temprature dpasse 1200C (600 ppm 1600C). De nouvelles technologies sur les brleurs gaz, annihilant quasiment la flamme (brleur hmisphrique radiant MATRIX de VIESMANN), ou les brleurs flamme bleue avec vaporisation du fioul et recirculation des fumes sur la flamme contribuent une trs forte rduction des NOx.N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>I.4.2 Teneur en SO2 et en SO3,corrosion sulfuriqueLe soufre prsent dans un combustible peut se trouver associ aux matires minrales sous forme de sulfates. Il peut aussi tre prsent sous forme de composs organiques et de sulfures qui sont dtruits lors de la combustion. Le soufre se trouve alors entran dans les fumes sous forme de SO2 et SO3. Certains combustibles comme les fiouls lourds n2 peuvent contenir jusqu 4% de soufre. En combustion neutre, ce soufre se retrouve sous forme de SO2. Avec un excs dair, il se produit la raction: SO2 + O2 SO3 Cette raction sera favorise par une augmentation de la concentration en oxygne donc de lexcs dair et, comme elle est exothermique, elle sera plus importante basse temprature. Le rapport: r = [SO3/(SO3 + SO2)] 100 peut atteindre 3 4%.N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>Lorsquil y a condensation de vapeur deau, SO3 forme avec celui-ci H2SO4 qui corrode les surfaces mtalliques situe dans les parties froides du circuit fumes. Les moyens mis au point contre la formation de H2SO4 et lutter contre les corrosions des surfaces basse temprature (au dessous de 150C), utilisent des produits agissant: - comme anti-catalyseur de la conversion SO2 SO3 - comme neutralisant de H2SO4 dans les circuits dutilisation On peut, dans ce domaine: a) injecter par soufflage dans le foyer des substances solides finement pulvrises (&lt; 20 ) comme la magnsie MgO ou la dolomie de quelques kilogrammes (1 5) par tonne de fioul. b) mlanger au combustible, au moment du remplissage des rservoirs de stockage, des additifs qui rduisent la conversion de SO2 en SO3N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>c) injecter en fin de parcours des gaz, soit dans lappareil dutilisation, soit dans la chemine, des substances gazeuses comme le gaz ammoniac. La proportion de gaz doit tre dtermine pour ne former que du sulfate neutre dammonium.</p> <p>I.5 MODES DE COMBUSTION</p> <p>La combustion est complte si la totalit du combustible est oxyde. A contrario elle est incomplte sil y a prsence de combustible dans les fumes. La combustion est dite stchiomtrique, neutre ou thorique si lair comburant est en quantit suffisante et strictement ncessaire la combustion complte de lunit de combustible. Les fumes ne contiennent pas doxygne. la combustion est oxydante ou en excs dair si une partie de lair comburant est utilise pour loxydation du combustible, lautre partie se retrouvant dans les fumes.N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p>La combustion est dite rductrice ou en dfaut dair si le volume dair admis pour la combustion de lunit de combustible est infrieur au volume dair stchiomtrique; loxygne y est nanmoins totalement utilis donc pas de prsence dO2 dans les fumes, mais il y a formation de monoxyde de carbone (CO).</p> <p>I.6 CONDITIONS NCESSAIRES LA COMBUSTION</p> <p>La combustion nest pas spontane; il ne se fait pas de mettre en contact un combustible industriel avec loxygne pour la dclencher. Il faut, en plus, crer des conditions favorables linitiation, au dveloppement et au maintien de cette combustion. Nous prsentons succinctement dans cette section les trois conditions essentielles au processus de combustion: La temprature du combustible doit tre porte et maintenue une temprature suffisamment leve, suprieure la temprature dinflammation, pour complter toutes les ractions de combustion.N. EL MEJDOUB</p> <p>Combustion (2008/09)</p> <p> Un bon mlange entre lair et le combustible doit tre assurer. La composition du mlange doit tre adquate pour assurer des conditions favorables de combustion. Le temps de sjour du mlange, dans la zone de combustion doit tre suffisamment long pour assurer la combustion...</p>