cstb - connaisance de la fumée

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  • 1Emplacement rservpour une photo

    Jean-Pierre Vantelon, Laboratoire de Combustion et de Dtonique, CNRS, ENSMA, POITIERS

    tat des connaissancessur la fume

    9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 2

    Plan de lexpos

    - Introduction

    - Composition des fumes

    - Forces rgissant le mouvement des fumes (flottabilit,ventilation)

    - Conclusion

  • 29 NOVEMBRE 2005 | PAGE 3

    La fume peut tre dfinie comme un mlange de produits gazeux provenant de la combustion de substances organiques, avec de loxygne et de lazote, mlange dans lequel de petites particules solides et des gouttelettes de liquide se trouvent aussi disperses.

    Toxicit due aux produits gazeux Opacit due aux particules solides et aux gouttelettes

    liquides

    Conjonction des deux effets : responsable du danger pour les personnes

    Quest-ce que la fume ?

    9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 4

    - Combustion vive dans flamme (liquides et solides)

    - Pyrolyse sans flamme (liquides et solides)

    - Combustion lente (smouldering) (solides)

    Dans tous les cas, le point de dpart est une

    dgradation thermique du combustible sous leffet

    dun flux de chaleur.

    Origine des fumes

  • 39 NOVEMBRE 2005 | PAGE 5

    Lcoulement des fumes est chimiquement peu ractif : les ractions doxydation cessent rapidement quelque distance de la source (les ractions sont devenues compltes)le refroidissement (essentiellement par entranement dair) ralentit fortement les cintiques ractionnelles.

    Temprature et composition varient depuis le foyer source au cours de lcoulement : lentranement dair dilue et refroidit la fume les changes thermiques convectif et radiatif avec des parois ou lenvironnement abaissent galement la temprature leau issue de la combustion est prsente sous forme vapeur lorsque la fume est chaude mais se condense en gouttelettes lorsque la fume se refroidit ces gouttelettes peuvent se dposer les particules solides peuvent sagglomrer et se dposer

    9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 6

    Les phases de transport des fumes sont rgies :

    par la force dArchimde ou force de flottabilit par les divers champs de pression qui peuvent rgner

    au voisinage du foyer

    La prsence de fumes se traduit :

    par des odeurs (dues aux produits gazeux organiques) par une chute plus ou moins importante de la visibilit

    (du fait de linteraction rayonnement visible particules)

  • 49 NOVEMBRE 2005 | PAGE 7

    CONSTITUANTS GAZEUX

    Dans des conditions de combustion complte, un combustible est converti en produits gazeux sables : CO2 et H2O vapeur.

    En fait, cela est rarement obtenu dans une flamme de diffusion reprsentative dincendie o les flux turbulents, dus aux forces de flottabilit, induisent de forts gradients de concentration et de temprature.

    La combustion consomme une partie des molcules de O2diffuse dans la flamme et extrmement peu de N2 . Les quantits de O2 et de N2 ne sont donc pas dans la fume dans le mme rapport que dans lair.

    Les constituants de la fume

    9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 8

    Diverses autres espces gazeuses sont prsentes :

    - produits de combustion comme CO et les NOx qui viennent sajouter H2O et CO2 du fait du caractre incomplet de la raction.

    - de nombreuses espces plus ou moins oxydes provenant des zones chimiquement actives de la flamme ou de la dgradation thermique du combustible, le plus souvent en faible quantit, comme les hydrocarbures, des aldhydes, des gaz acides, dont la nature et la pression partielle dpendent des conditions du feu et de la nature du combustible.

    Les constituants de la fume

  • 59 NOVEMBRE 2005 | PAGE 9

    CONSTITUANTS PARTICULAIRES

    La formation despces particulaires est le rsultat du caractre incomplet de la raction

    Les particules gnres en combustion vive (combustion avec flamme) sont des petites particules solides appeles suies.

    Les particules gnres en combustion lente (type smouldering) rsultent de la condensation, au contact de lair frais, despces de haut poids molculaire. Il en rsulte la formation darosolsconstitus de petites gouttelettes liquides visqueuses riches en composs aromatiques (diamtre le plus souvent de lordre du micron).

    Les constituants de la fume

    9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 10

    Nature des particules de suies

    COMPOSITION

    Elles sont composes pour lessentiel de carbone.

    Mais elles peuvent contenir aussi : - de lhydrogne (au moins 1% en masse) - dautres lments qui taient prsents dans le

    combustible considr comme, le soufre, lazote ou mme loxygne

  • 69 NOVEMBRE 2005 | PAGE 11

    ASPECT ET STRUCTURE

    Les suies sont des agrgats de particules lmentaires (plusieurs dizaines plusieurs centaines), plus ou moins sphriques, de tailles trs voisines (10 80 nm environ).

    Chaque lment de base, appel sphrule, est constitudun grand nombre de cristallites (103 104), chaque cristallite tant constitu dun assemblage dlments de base : les composs aromatiques polynuclaires.

    Nature des particules de suies

    9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 12

    Nature des particules de suies

  • 79 NOVEMBRE 2005 | PAGE 13

    De nombreuses recherches ont t menes sur : - les proprits et la nature des particules formes - les quantits formes en fonction : - de la nature du combustible - du type de combustion : prmlange ou diffusion

    Dune faon trs gnrale, les proprits et la nature des suies ne sont pratiquement pas affectes par le type de combustion et la nature du combustible.

    Nature des particules de suies

    9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 14

    En revanche, les quantits formes varient de faon apprciable avec le type de combustion et la nature du combustible :

    - les flammes de diffusion donnent toujours plus de suies que lesflammes de prmlange

    - ce sont les combustibles caractre non satur et conjugu qui donnent le plus de suies

    La prsence de traces de O2 ou de H2O attnue trs sensiblement les quantits de suies formes.

    Enfin, on observe toujours des vitesses de formation trs rapides : 10 ms ou moins.

    Nature des particules de suies

  • 89 NOVEMBRE 2005 | PAGE 15

    Les particules de suie sont en gnral caractrises par trois grandeurs :

    fv: la fraction volumique de suies (m3 de suies/m3 de gaz)

    d: le diamtre dune particule de suie (nm)

    N : la densit en nombre de particules (nombre de particules /m3 de gaz)

    Ces trois grandeurs sont relies par lintermdiaire

    de la fraction volumique moyenne : ( )dddP6dNf

    0

    3

    v =

    o P(d) est la distribution en tailles des particules de suie.

    Dans le cas monodisperse, il vient : 6dNf

    3

    v=

    grandeurs physiques caractrisant les particules de suie

    9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 16

    processus lmentaire de formationet de destruction des particules de suie

    NUCLEATION ET INCEPTION La nuclation est la transformation dun systme molculaire en un

    systme particulaire. Cest ltape fondamentale qui contrle la production des suies. Le mcanisme correspondant le plus souvent avanc est le

    suivant : - formation des premiers anneaux aromatiques (molcules

    cycliques), derniers produits de la pyrolyse des combustibles. Elle seffectue gnralement par une raction entre le vinyl (C2H3) et lactylne (C2H2)

    - croissance des HAP partir de ces premiers anneaux

  • 99 NOVEMBRE 2005 | PAGE 17

    Une fois forms, les anneaux aromatiques grandissent par un

    processus deux tapes :

    - ablation dun atome dhydrogne qui active les molcules

    aromatiques

    - addition dune molcule dactylne qui assure la croissance et

    la cyclisation des HAP

    Ce processus de H-abstraction et C2H2-addition est connu sous le

    nom de mcanisme HACA.

    processus lmentaire de formationet de destruction des particules de suie

    9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 18

  • 10

    9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 19

    CROISSANCE DE SURFACE Cest un accroissement de la masse de la particule du fait de ractions

    htrognes entre des molcules gazeuses et la surface des particules (sites radicalaires libres).

    Molcules impliques : - actylne - polyactylnes On a augmentation de fv et de d mais aucune influence sur N. Cest par ce mcanisme que la plus grande partie de la masse est

    produite. A noter galement que la masse volumique des particules subit

    galement un accroissement relativement important.

    processus lmentaire de formationet de destruction des particules de suie

    9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 20

    AGGLOMERATION ET COAGULATION

    Ces processus sont exclusivement interparticulaires.

    Lorsque deux ou plusieurs particules entrent en collision, deux cas de figures peuvent se prsenter :

    - elles ragissent entre elles et coagulent pour donner une particule identique, cest la coagulation ou coalescence.

    - elles ragissent et se fixent uniquement en surface pour donner des particules en grappes ou en chanons que lon nomme agrgats, cest lagrgation ou lagglomration.

    Ces deux mcanismes rduisent la densit en nombre de particules N et augmentent le diamtre moyen d de celles-ci, sans pour autant accrotre la fraction volumique fv ou la masse volumique .

    processus lmentaire de formationet de destruction des particules de suie

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    9 NOVEMBRE 2005 | PAGE 21

    OXYDATION

    Lmission des suies est trs infrieure la quantit produite dans la flamme.

    La diffrence provient de la consommation de celles-ci par oxydation. Au cours du processus de formation, il existe toujours en effet une comptition entre les tapes de production et doxydation.

    Les suies peuvent tre oxydes par :

    - loxygne molcul