combustion (2ème partie) combustions réelles, combustibles complexes
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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