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Combustion (2ème partie) Combustions réelles, combustibles complexes

Combustion (2ème partie) Combustions réelles, combustibles complexes . Sommaire: I Calcul pratique et analyse de combustion I-1Combustibles I-2 Composition des fumées 1°) Combustion neutre 2°) Combustion oxydante 3°) Combustion réductrice et incomplète

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Combustion (2ème partie) Combustions réelles, combustibles complexes

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Presentation Transcript

  1. Combustion (2ème partie) Combustions réelles, combustibles complexes

  2. Sommaire: I Calcul pratique et analyse de combustion I-1Combustibles I-2 Composition des fumées 1°) Combustion neutre 2°) Combustion oxydante 3°) Combustion réductrice et incomplète I-3 Calcul précis de pertes thermiques aux fumées 1°) Chaleur sensible 2°) Chaleur latente I-4 Pollution et analyseurs de fumées II Phénoménologie de la combustion II-1 Mécanismes de la combustion II-2 Fours et chaudière II-3 Moteurs alternatifs II-4 Turbines à gaz

  3. I Calcul pratique et analyse I-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

  4. a) Charbons : origine végétale années - 65 millions - 360 millions Tourbes Lignites Houilles b) Bois et déchets végétaux : Caractéristiques sur sec et sans cendres

  5. Autres déchets : Recyclage: la meilleure solution Incinération : économiquement avantageuse. Constitution toujours très variable: Déchets ménagers: PCI très faible : 5 à 8MJ/kg: humidité très forte (30 à 40% nécessitent souvent l’utilisation d’un combustible d’appoint) Déchets industriels: PCI: 15 à 40 MJ/kg (papiers, cartons, plastiques, huiles et solvants)

  6. I-1-2 Combustibles liquides et gazeux : 1°)Hydrocarbures pétroliers Le pétrole: Beaucoup plus ancien que les charbons (milliard d’années) . Origine: décomposition des microorganismes des mers primitives. Forte teneur en soufre a) Combustibles de distillation :

  7. b) Gaz naturels Composition très variable fonction de la provenance

  8. 2°) Liquides d’origine végétale a) alcools Bons pour MAC: RON élevé mais Ma faible=>MTBE,ETBE b) Huiles végétales, diester Pour MD mais Pb viscosité, pt d’écoulement, craquage…=> diester

  9. I-2 Composition des fumées Combustion neutre: Pouvoir comburivore : Va Volume d’air nécessaire Pouvoir fumigène humide: VFH Volume de fumées Pouvoir fumigène sec : VFS Volume de fumées sans la vapeur d’eau Carbone total : VC02 Volume de gaz carbonique Hydrogène total : VH20 Volume d’eau des fumées Oxygène et azote libre VO2, VN2 contenus dans le combustible Solides, Liquides: Nm3/kg de combustible Combustiblesgazeux: Nm3/Nm3 de comb.

  10. Combustion réelle:V’a,V’FH… - Mauvaise combustion - Dosage non stoechiométrique pour: Rendement maxi Puissance et stabilité Combustion réductrice Teneur en CO2 des fumées: XCO2= V’CO2/V’FH Teneur en CO2 des fumées sèches; gCO2= V’CO2/V’FS Donnée par les analyseurs de fumées

  11. 1°) Combustion neutre Carburant +Comburant Fumées C,H,O,S,N,Humidité O2,N2 CO2,SO2,N2,H2O

  12. Pouvoir comburivore: Teneur en oxygène du comburant: 21% pour l’air Pouvoir fumigène sec: Pouvoir fumigène humide:

  13. Exemples de calcul : Combustible solide ou liquide: Humidité =1,2 % ; Cendres=8% ; C=78% ; H=5% ; O=6,4% ; N=1,4%

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

  15. 2°) Combustion oxydante Valorisation énergétique=>excès d’air a) Calcul direct

  16. 3°) Combustion réductrice ou incomplète • Combustion réductrice loin de la stœchiométrie: • Cas peu fréquent ou dysfonctionnement • Diagramme d’équilibre

  17. Cas général de combustion quelconque: le diagramme d’Ostwald

  18. 4°) Utilisation pratique des analyses de fumées Analyseurs => gO2,gCO2, gCO… - Utiliser gO2, pour le calcul de l’excès d’air sauf si on a que gCO2 -gCO permet d’estimer les pertes par imbrûlés (faibles…) - Les autres mesures (NOx, SO2…) : pollution limites légales

  19. I-3 Calcul des pertes aux fumées 1°) Chaleur sensible a) Calcul intégral: Calcul de Cp(T) du mélange b) Détermination graphique de Cp moyen Téléchargement sur le site de l’IUT des Cp

  20. c) Formules semi empiriques 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.

  21. 2°) Pertes par chaleur latente 2500kJ/kg

  22. 3°) Pertes par imbrûlés En Nm3/ssi combust. gazetkg/ssi liq. ou sol. Et:V’FS=VFS+eVa Les analyseurs donnent CO =>on déduit H2 par: Pour les moteurs (équilibre supposé à 1850°C) : gCO /gH2 =8x/y Pour les fours ou chaudières (1450°C) : gCO /gH2 =5x/y

  23. 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…

  24. 2°) Limitations règlementaires et réduction des polluants - Les cendres => Combustion charbon Filtres 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 + vitesse Limiter la teneur des combustibles en soufre : FO BTS<2% et TBTS<1%, FOD ou gaz oil <0,3%)

  25. - Oxydes d’azote NO=>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 combustiond’appareils de chauffage Normes parkings souterrains < 45ppm max.

  26. Législation automobile: • 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

  27. 3°) Analyseurs de combustion -Particules Fumosimètre de Bacharach: Norme: Indice < 4 Indice > 6 : Fumées visibles Mesure en continu: opacimètre optique - Émissions gazeuses - La mesure volumétrique par absorption du gaz : l’analyseur Orsat: CO2

  28. - 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 solide la sonde l (fonctionnement comparable à la pile à combustible) absence d’O2 :1V ; présence : 0V

  29. II Phénoménologie de la combustion II-1 Mécanismes 1°) Réaction en chaîne et équilibres à HT Réaction en chaîne: Rupture ou Ramification Initiation Propagation

  30. Réactions d’équilibre A haute température: Etc... Détente ou refroidissement pariétal => «  trempe »  CO,NO, H2 dans les fumées Pots catalytiques : permettre la recombinaison à basse température

  31. 2°) Auto inflammation: Limites d’auto inflammation : A : n heptane +1,5 isooctane dans l’air B : Isooctane dans l’air Richesse 1,25

  32. Délai d’auto inflammation q: p p croît => q diminue q mini pour R<1

  33. 3°) Détonation: propagation supersonique de la combustion 4°) Déflagration: propagation subsonique de la combustion Déflagration laminaire homogène

  34. Influence de la turbulence Combustion diphasique

  35. II-2 Combustion dans les fours et chaudières 1°) Transfert de chaleur Fours: Rayonnement: Le carbone-suie améliore le transfert (eF) => fuel ou préchauffe du gaz nat. (650°C) Rayonnement dans le foyer Chaudières: Convection dans échangeurs et économiseurs

  36. 2°) Aérodynamique de l’enceinte Air induit par I du combustible Sans rotation Flamme boule La vitesse de rotation augmente Flamme murale

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