Combustion (2ème partie)

Combustions réelles, combustibles complexes

Sommaire:

I Calcul pratique et analyse de combustion

I-1Combustibles I-2 Composition des fumées

1°) Combustion neutre2°) Combustion oxydante3°) Combustion réductrice et incomplète

I-3 Calcul précis de pertes thermiques aux fumées1°) Chaleur sensible2°) Chaleur latente

I-4 Pollution et analyseurs de fumées

II Phénoménologie de la combustion

II-1 Mécanismes de la combustionII-2 Fours et chaudièreII-3 Moteurs alternatifsII-4 Turbines à gaz

I Calcul pratique et analyseI-1 Les combustibles

I-1-1 Combustibles solides : (Charbons, bois, déchets)

- Matières organiques (C,H,O)

- Peu de soufre en général (<1%)

- Minéraux (cendres) et eau

a) Charbons : origine végétale- 360 millions - 65 millions

HouillesLignites

C H O2 Pp

De 60 à 94% De 6 à 3,5% De 35 à 1,5% 20 à 36 MJ/kg

années

b) Bois et déchets végétaux :

C H2 O2 N2 Ip Va VF CO2

50% 5,8% 43,2% 1% 18MJ /kg 4 ,5 5,2 19

Caractéristiques sur sec et sans cendres

Tourbes

Déchets industriels:PCI: 15 à 40 MJ/kg (papiers, cartons, plastiques, huiles et solvants)

Autres déchets :Recyclage: la meilleure solutionIncinération : économiquement avantageuse.

Déchets ménagers:PCI très faible : 5 à 8MJ/kg: humidité très forte (30 à 40% nécessitent souvent l’utilisation d’un combustible d’appoint)

Constitution toujours très variable:

I-1-2 Combustibles liquides et gazeux :

Le pétrole:Beaucoup plus ancien que les charbons (milliard d’années) . Origine:

décomposition des microorganismes des mers primitives. Forte teneur en soufre

1°)Hydrocarbures pétroliers

a) Combustibles de distillation :

GPL(bu-pro) essence kérosène Gazoil et FOD Fuel lourd BTS

C% 82,5 85,5 85,7 86 87

H% 17,5 14,5 14,3 13,3 11,35

S% 0 0 <0,3 0,3 1

N% 0 0 0 0,2 0,25

O% 0 0 0 0,2 0,4

Ma 15,4 15 15 14,3 14

d 0,55 0,75 0,8 0,844 0,99

Ip 46MJ/kg 44MJ/kg 43,5MJ/kg 42MJ/kg 42MJ/kg

b) Gaz naturels

Composition très variable fonction de la provenance

CH4 % C2H6 % C3H8 % C4H10 % N2

90 6,5 2 0,5 1

Pp MJ/Nm3

Ip MJ/Nm3

d Va VCO2 VH2O VFS

40 36 0,6 9,7 1 2 8,7

2°) Liquides d’origine végétale

a) alcools

b) Huiles végétales, diester

C% H% O% Ip MJ /kg Ma kg/kg 20°C. cSt Craquage

Colza 77 ,9 11,7 14,7 37,4 12,33 77 250°C

Diester 37 ,7 7 350°C

Bons pour MAC: RON élevé mais Ma faible=>MTBE,ETBE

Pour MD mais Pb viscosité, pt d’écoulement, craquage…=> diester

C% H% O% Ip MJ /kg Ma kg/kg d

Méthanol 37,5 12,5 50 20 6,45 0,796

MTBE 35,2 11,7 0,746

Éthanol 52 13 35 26 8,93 0,794

ETBE 35,9 12,1 0,75

I-2 Composition des fumées

Solides, Liquides: Nm3/kg de combustible

Combustibles gazeux: Nm3/Nm3 de comb.

Combustion neutre:

Pouvoir comburivore : Va Volume d’air nécessaire Pouvoir fumigène humide: VFH Volume de fuméesPouvoir fumigène sec : VFS Volume de fumées sans la vapeur d’eau Carbone total : VC02 Volume de gaz carboniqueHydrogène total : VH20 Volume d’eau des fuméesOxygène et azote libre VO2, VN2 contenus dans le combustible

Combustion réelle: V’a,V’FH…

Teneur en CO2 des fumées: XCO2= V’CO2/V’FH

Teneur en CO2 des fumées sèches; CO2= V’CO2/V’FS

- Mauvaise combustion

- Dosage non stoechiométrique pour:Rendement maxiPuissance et stabilitéCombustion réductrice

Donnée par les analyseurs de fumées

1°) Combustion neutre

Carburant +Comburant Fumées

C,H,O,S,N,Humidité

O2,N2 CO2,SO2,N2,H2O

)2

(1

22

22 OOH

SOCO VV

VVVa

Pouvoir comburivore:

Pouvoir fumigène sec:

VaVVVV NSOOCFS )1(222

Pouvoir fumigène humide:

HOHFSFH VVVV 2

Teneur en oxygène du comburant: 21% pour l’air

Exemples de calcul :

Combustible solide ou liquide:

Humidité =1,2 % ; Cendres=8% ; C=78% ; H=5% ; O=6,4% ; N=1,4%

kgNmVCO /456,112

4,22.78,0 3

2 kgNmV OH /56,02

4,22.05,0 3

2

kgNmVO /045,032

4,22.064,0 3

2 kgNmVN /011,028

4,22.014,0 3

2

kgNmVa /052,8)045,02

56,0456,1(

21,0

1 3

kgNmVFS /83,7052,8.79,0011,0456,1 3

kgNmVFH /4,818

4,22.012,056,083,7 3

Combustible gazeux:

CH4=81,3% ; C2H6=2,9% ; C3H8=0,4% ; C4H10=0,2% ; N2=14,3% ; CO2= 0,9%

332 /9,0009,0002,04004,03029,02813,01 NmNmVCO

332 /739,1002,05004,04029,03813,02 NmNmV OH

332 /009,0 NmNmVO 33

2 /143,0 NmNmVN

33 /38,8)009,02

739,19,0(

21,0

1NmNmVa

33 /67,738,8.79,0143,09,0 NmNmVFS

33 /4,9739,167,7 NmNmVFH

2°) Combustion oxydante

Valorisation énergétique=>excès d’air

VaeVaaV )1('

a) Calcul direct

eVaVV FSFS '

eVaV

eVa

V

eVaa

FSFS

'

eVaV

eVaa

FSO

2

eVaV

V

FS

SOCOSOCO

2222

3°) Combustion réductrice ou incomplète

• Combustion réductrice loin de la stœchiométrie:– Cas peu fréquent ou dysfonctionnement– Diagramme d’équilibre

Diagramme d'équilibre de l'essence x/y=0,5 Kp=4

0

5

10

15

20

0,5 1 1,5

%

H2

CO

O2

CO2

Cas général de combustion quelconque: le diagramme d’Ostwald

4°) Utilisation pratique des analyses de fumées

Analyseurs => O2,CO2, CO…

-CO permet d’estimer les pertes par imbrûlés (faibles…)

- Utiliser O2, pour le calcul de l’excès d’air sauf si on a que CO2

- Les autres mesures (NOx, SO2…) : pollution limites légales

I-3 Calcul des pertes aux fumées

1°) Chaleur sensible

a) Calcul intégral: )(273273

dTCpdTCpqPRF T

R

T

Fmth

Calcul de Cp(T) du mélange

b) Détermination graphique de Cp moyen

Téléchargement sur le site de l’IUT des Cp

c) Formules semi empiriques

)(.100

.1002

RFCO

th TTKs

PCI

q

Siegert:

%pertes sensibles sur PCM % CO2

Ks= 0,47 pour le Gaz naturel,0,6 pour les hydrocarbures moyens, 0,62 pour le fuel lourd et 0,71 pour le charbon.

2°) Pertes par chaleur latente

0)2(22 .. OHOHOH Vqmcqm 30)2( kg/Nm8036,0

4,22

18OH

OHcondOHLV LvqmqmP 22 )(

2500kJ/kg

3°) Pertes par imbrûlés

IIFSI IpqmcVP '

En Nm3/s si combust. gaz et kg/s si liq. ou sol.

Et: V’FS=VFS+eVa

Les analyseurs donnent CO =>on déduit H2 par:Pour les moteurs (équilibre supposé à 1850°C) : CO /H2 =8x/y

Pour les fours ou chaudières (1450°C) : CO /H2 =5x/y

I-4 Pollution et analyseurs

1°) Principales sources de pollution

Provient du carburant, Caractère inéluctable:

- Fuel => SO2

- Charbons => Cendres volatiles

- Incinération déchets => Chlore

Conception ou réglage : on peut améliorer:

CO, NO, suies…

2°) Limitations règlementaires et réduction des polluants

- Les cendres => Combustion charbonFiltres électrostatiques : rendement 99% Réglementation: 129mg/kWh PCI maxi

- Les imbrûlés solides (suies) => problème de mélange FO et FOD : craquage du combustible

seuil légal 215mg/kWh

-Oxydes de soufre: SO2>1ppm irritant, normes France <0,1ppm au sol

Sortie de cheminée: Fuel 2000ppm, Charbon 500ppm Acide sulfurique H2SO4 =>corrosion, fumerons acides

Cheminée haute + vitesseLimiter la teneur des combustibles en soufre : FO BTS<2% et

TBTS<1%, FOD ou gaz oil <0,3%)

- Oxydes d’azoteNO=>NO2 (gaz roux) 13ppm irritant=>NO4

œdème au poumon >40ppm Asthme, pluies acides, déforestation et smog

Dû aux hautes températures et à l’excès d’air la recherche de rendement. l’OMS recommande <0,1ppm pendant 1h.

- Oxydes de carbone: combustion incomplète Très toxique >0,1% accidents mortels (300 à 400 décès/an en France)

Mauvaise combustion d’appareils de chauffage Normes parkings souterrains < 45ppm max.

Imbrûlés solides: Suies diesels 0,08g/km =>Filtres à particules

Oxydes de soufre: désulfuration mais Pb: catalyseurs

Oxydes d’azote: mélanges pauvres, HT°C, 0,08g/km (essence), 0,25g/km (diesels)=> catalyse

Oxydes de carbone: - CO2 inévitable et proportionnel à la conso - CO 0,5g/km (Diesels), 1g/km (essence)=>catalyse

Législation automobile:

3°) Analyseurs de combustion

Fumosimètre de Bacharach: Norme: Indice < 4Indice > 6 : Fumées visibles

-Particules

Mesure en continu: opacimètre optique

- Émissions gazeuses

- La mesure volumétrique par absorption du gaz : l’analyseur Orsat: CO2

- Appareils électrochimiques portatifs: Durée de vie très limitée, la cellule se pollue rapidement

Bons marché mais pas de mesure en continu (échantillons)

- Appareils fixes de mesures en continu:

Mesure infrarouge: Absorption des IR par les gaz contenant du carbone

(CO2,CO,CH..)

Chimiluminescence: analyseurs de NO

NO+O3 -> lumière proportionnelle à NO.

Paramagnétivité Attraction magnétique de l’oxygène => analyseur d’oxygène magnéto-pneumatique

Électrolyte solidela sonde(fonctionnement comparable à la pile à combustible)

absence d’O2 :1V ; présence : 0V

II Phénoménologie de la combustion

II-1 Mécanismes1°) Réaction en chaîne et équilibres à HT

OHCOOCH 2224 22

*

3

*

4 HHCCH

Initiation

*

23

*

2 HOOCHOHC

3

**

24 HCOHCHHO

Propagation

Rupture

Ramification

**

23

*

2OHCHOHC

ou

Réaction en chaîne:

Réactions d’équilibre

22 2

1OCOCO

222 2

1OHOH

HH 22

OO 22

NNONO 2

A haute température:

Etc...

Détente ou refroidissement pariétal => «  trempe » 

CO,NO, H2 dans les fumées

Pots catalytiques : permettre la recombinaison à basse température

2°) Auto inflammation:

Limites d’auto inflammation :A : n heptane +1,5 isooctane

dans l’airB : Isooctane dans l’air

Richesse 1,25

Délai d’auto inflammation :

p croît => diminue

mini pour R<1

p

3°) Détonation: propagation supersonique de la combustion

4°) Déflagration: propagation subsonique de la combustion

Déflagration laminaire homogène

Influence de la turbulence

Combustion diphasique

II-2 Combustion dans les fours et chaudières

1°) Transfert de chaleur

Fours:

Chaudières:

Rayonnement dans le foyer

Convection dans échangeurs et économiseurs

Rayonnement:4FFF TR

4)1( PPFP TR

4RRE TR

EPFRR RRRR )(

Le carbone-suie améliore le transfert (F) => fuel ou préchauffe du gaz nat. (650°C)

2°) Aérodynamique de l’enceinte

Sans rotation

La vitesse de rotation augmente

Flamme boule

Flamme murale

Air induit par I du combustible