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Sur cette page : Combustibles gazeux courants, Combustibles liquides, Combustibles solides, La combustion, combustion complete, combustion incomplete, Pouvoir calorifique, Pouvoir calorifique superieur PCS, Pouvoir calorifique inferieur PCI, Composition de l'air sec.

Autres pages à voir :

Toxicologie du Monoxyde de Carbone

La réduction et la cuisson céramique

LES COMBUSTIBLES et LA COMBUSTION
par Smart2000

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LES COMBUSTIBLES :

On peut les classer en trois familles selon leur état : gazeux, liquide ou solide

Plus un combustible est dense, plus il contient de carbone.

Combustibles gazeux courants :

Les combustibles gazeux courants sont des hydrocarbures légers (*), composés de carbone et d'hydrogène. Leur combustion complète produit du gaz carbonique (CO2) et de l'eau (H2O). En défaut d'air la combustion peu aussi produire du carbone (C), du monoxyde de carbone (CO) et de l'hydrogène (H2).

- Le gaz naturel (composé entre 81 et 97% par du méthane, CH4)

- Le propane (C3H8)

- Le butane (C4H10)

(*) : Un hydrocarbure léger est à l'état gazeux lorsqu'il est à température ambiante sous la pression atmosphérique. Les hydrocarbures lourds sont ceux qui sont liquides dans ces mêmes conditions (essence, gazole). Les hydrocarbures solides sont ceux qui contiennent au delà de 17 atomes de carbone, tels que la paraffine.

Combustible

Formule chimique

Densité

Point d'ébullition

Pouvoir Calorifique

Méthane pur

CH4

0.55

- 163 °C

12.67 kW/m³

Propane pur

C3H8

1.52

- 40°C

27.30 kW/m³

Butane pur

C4H10

2.10

- 9 °C

38.30 kW/m³

Le butane se liquéfie facilement à basse température (-9°C), pour cette raison on doit le stocker à l'intérieur de locaux chauffés. Ceci explique le choix du propane pour alimenter les fours à gaz lorsqu'ils ne peuvent être alimentés par le réseau du gaz naturel. Le propane est stocké en cuve à l'extérieur.

Combustible liquide :

Les deux combustibles liquides les plus courants sont le fuel domestique (ou gazole) et le fuel lourd.

Composition chimique type de ces deux combustibles comparée au Butane et Propane commercial :

Combustible

Carbone %

Hydrogène %

Soufre %

Azote %

Fuel domestique (FOD)

86.4

13.4

0.2
-

Fuel lourd (FOL)

86.5

9.8

3.3
-

Propane commercial

83.7

16.3

0.02
0.4

Butane commercial

84.2

15.8

0.02
-

Combustibles solides courants :

On peut citer principalement le bois et le charbon.

Le charbon est composé de carbone, de matières volatiles (essentiellement d'hydrogène), d'hydrocarbures et de cendres. L'humidité des différents charbons varie de 5 à plus de 50%.

Le charbon désigne trois types de combustibles solides :

- la tourbe

- la lignite

- la houille (dont l'anthracite est la plus haute qualité)

La composition des charbons varie, elle s'exprime principalement par la quantité de carbone contenu :

Combustible

Teneur en carbone %

Humidité %

Cendres %

Volatiles %

Anthracite

93 à 97 %

1 à 6 %

0 à 10 %

< 10 %

Lignite

50 à 60 %

25 à 50 %

30 à 50 %

50 %

Tourbe

< 50%

> 50 %

50%

> 75 %

Pour le bois, le contenu énergétique des bûches est en moyenne de 3900 kWh par tonne soit en moyenne 1500 kWh par stère (m³). Mais tout dépend du type d'essence de bois et de son état de séchage.

LA COMBUSTION :

La combustion est une réaction chimique qui dégage de la chaleur. Elle s'obtient en faisant agir un combustible avec un comburant. Un comburant est un composé oxygéné apportant de l'oxygène tel que l'air, cela peut aussi être de l'oxygène pur. Le combustible et le comburant réagissent en donnant des sous-produits de combustion.

Pour qu'une bonne combustion ait lieu, le combustible et le comburant doivent être intimement mélangés. Ainsi pour les combustibles solides tels que le bois, il faut des brindilles fines bien aérées pour pouvoir allumer un feu. Pour les combustibles gazeux ou liquides, le dosage et le mélange de l'air avec le combustible est obtenu par le brûleur.

Le dosage de l'air et du combustible est important, car la réaction de combustion n'est pas réalisable en toutes proportions. Ainsi pour du méthane, en deçà de 5% et au delà de 15% avec l'air la combustion complète n'est plus assurée.

Pour que la réaction de combustion soit amorcée, une température minimale d'inflammation du mélange doit être atteinte par l'étincelle très chaude d'un arc électrique ou par la flamme d'une allumette par exemple.

Quelques températures d'inflammation de combustibles :

Combustible

T°C inflammation

Houille

300 à 400 °C

Lignite sec

300°C

Méthane

700°C

Carbone

700°C

Allumette (tête)

170°C

Monoxyde de carbone

650°C

L'injection d'air et de gaz de type méthane dans l'enceinte d'un four portée à plus de 750°C produit donc instantanément une flamme, c'est l'auto inflammation du mélange gazeux.

La même injection faite à 650°C ne produit rien, les fluides s'écoulent et le risque d'explosion en cas d'étincelle ou de flamme chaude est très grand. Pour cette raison il faut être très attentif au fait qu'un brûleur ne doit jamais s'éteindre en dessous de 700°C, le gaz continuant à s'écouler peut provoquer une explosion gravissime avec risque d'incendie.

COMBUSTION COMPLÈTE :

La combustion complète est le résultat de la réaction complète du combustible avec l'oxygène du comburant. Les sous-produits de combustion qui en résultent sont stables et saturés d'oxygène.

Ex : combustion complète du méthane et de l'oxygène

CH4 + 2O2 ==> CO2 + 2H2O cette réaction produit du gaz carbonique et de l'eau

COMBUSTION INCOMPLÈTE :

Dans ce type de combustion, le combustible se décompose en sous-produits qui ne sont pas tous parfaitement oxydés. Avec les combustibles classiques, ce type de combustion peut produire du carbone, du monoxyde de carbone et de l'hydrogène. Le monoxyde de carbone est très toxique.

Voir la page sur la toxicologie du monoxyde de carbone par Edouard Bastarache.

Ex : combustion incomplète du méthane avec l'oxygène

2CH4 + 2O2 ==> 3H2 + CO + H2O + CO2

cette réaction qui n'a pas assez d'oxygène produit des composés insuffisamment oxydés tels que du monoxyde de carbone et de l'hydrogène. Seule une partie a pu se transformer en eau et en gaz carbonique.

Ce principe de la combustion incomplète appliqué à la cuisson céramique est à la base du principe de l'atmosphère réductrice pour la cuisson en réduction. A haute température le monoxyde de carbone est très avide pour l'oxygène, il cherche à extraire l'oxygène instable des composants des céramiques. Il est notamment très actif sur l'oxyde ferrique (Fe2O3) et sur l'oxyde de cuivre cuivrique (CuO) et cuivreux (Cu2O). D'autres composés sont également " réductibles " par le monoxyde de carbone.

Ce principe de la réduction entraîne une modification de la couleur des produits céramiques et une intensification de l'effet des fondants (voir la page sur la réduction et la cuisson céramique).

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LE POUVOIR CALORIFIQUE

Le pouvoir calorifique est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d'un combustible, sous pression atmosphérique (1013 mbar). Généralement sa valeur est exprimée en kWh (qui représente la quantité de chaleur fournie pendant 1 heure par un appareil d'une puissance de 1 kW). On distingue le pouvoir calorifique supérieur ou PCS et le pouvoir calorifique inférieur ou PCI (voir paragraphes ci-après).

Il n'est pas toujours facile de comparer les pouvoirs calorifiques des combustibles, car selon les branches de production, les unités utilisées diffèrent.

Le pouvoir calorifique s'exprime par rapport à la masse (kg) pour les liquides et les solide (il est exprimé par Nm3 pour les gaz)

Quelques exemples d'équivalence d'unités :

Unité

kcal/kg

millithermie/kg

1

thermie/tonne

1

TEP*/tonne

10000

kJ/kg

0.239 (1 kcal = 4.18 kJ)

kWh/kg

861 (1 kWh = 3600 kJ)

BTU/pound

0.5554

* TEP: Tonne Equivalent Pétrole

Pouvoir calorifique de quelques gaz commerciaux exprimés en kcal ou kWh par Nm³ :

Combustible

PCI en kcal/Nm³

PCS en kcal/Nm³

PCI en kWh/Nm³

PCS en kWh/Nm³

Hydrogène

2570

3050

2.985

3.542

Monoxyde de carbone

3025

3025

3.513

3.513

Méthane

8575

9535

9.960

11.074

Propane

22380

24360

25.993

28.292

Butane

29585

32075

34.361

37.253

Ethylène

14210

15155

16.504

17.601

Propylène

20960

22400

24.343

26.016

Acétylène

13505

13975

15.685

16.231

Pouvoir calorifique de quelques combustibles liquides exprimés en kcal ou kWh par kg :

Combustible

PCI en kcal/kg

PCS en kcal/kg

PCI en kWh/kg

PCS en kWh/kg

Hexane

10780

11630

12.520

13.507

Octane

10705

10105

12.433

13.397

Benzène

9700

9535

11.265

11.736

Styrène

9780

10190

11.358

11.835

Fioul lourd (FOL)

9550

10400

11.091

12.079

Fioul domestique (FOD)

10030

10700

11.649

12.427

Pouvoir calorifique de quelques combustibles solides exprimés en kcal ou kWh par kg :

Combustible

PCI en kcal/kg

PCI en kWh/kg

Bois (30% d'humidité)

2800

3.3

Bois sec

4350

5.0

Anthracite

7800 à 8350

9.0 à 9.7

Charbon maigre et houille anthraciteuse

8350 à 8600

9.7 à 10.0

Charbon demi-gras ou semi-bitumineux

8375 à 8850

9.7 à 10.3

Charbon gras ou bitumineux à coke

7650 à 8850

8.9 à 10.3

Flambant

7800 à 8125

9.0 à 9.4

LIGNITE

3500 à 4500

4.0 à 5.2

TOURBE

1000 à 1500

1.1 à 1.7

Le pouvoir calorifique supérieur ou PCS :

Le pouvoir calorifique supérieur (PCS) d'un combustible représente la quantité totale de chaleur dégagée à volume constant par la combustion d'un kg ou d'un Nm³ du combustible.

Ce procédure de combustion est normalisés (NF M 07-030), elle est réalisée dans une enceinte spéciale nommée " bombe calorimétrique " dans les conditions suivantes :

- dans de l'oxygène saturé de vapeur d'eau,

- les produits de combustion et les sous-produits formés étant à la même température,

- l'eau formée étant liquide.

C'est sur cette base de pouvoir calorifique par unité de masse ou de volume normal que sont comptés les kW facturés pour la consommation des combustibles.

Dans la réalité la quantité de chaleur produite lors d'une combustion dans un appareil industriel ou domestique est très différente et inférieure, car la chaleur de vaporisation de l'eau n'est pas récupérable, l'eau produite se condensant généralement à l'extérieur à la sortie des cheminées.

Le pouvoir calorifique inférieur ou PCI :

Pour faire suite au précédant paragraphe, puisqu'on constate que la plupart du temps les fumées sortent des surfaces d'échange à une température supérieure au point de rosée. L'eau est donc émise sous forme de vapeur qui se condense à l'extérieur et sa chaleur est perdue pour l'utilisateur.

Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) représente donc la quantité réelle de chaleur qui peut être produite par un combustible dans un processus de combustion ou la chaleur de vaporisation de l'eau n'est pas récupérable, ce qui vaut pour la plupart des systèmes de combustion classiques.

Il se calcule en déduisant par convention, du PCS, la chaleur de condensation (2511 kJ/kg) de l'eau formée au cours de la combustion et aussi de celle contenue dans le combustible.

Pour les combustibles gazeux le PCI représente environ une valeur proche de 90% du PCS

Ex : pour le méthane CH4, le PCI soit 8575 kcal/Nm³ représente 89.93% du PCS qui est de 9535 kcal/Nm³.

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Composition de l'air sec :

L'atmosphère gazeuse terrestre se compose principalement de deux éléments : l'azote et l'oxygène. Le premier représente environ 78 % de l'air que nous respirons, le reste étant l'oxygène pour 21% et une dizaine d'éléments gazeux en très petites quantités représentent le 1% manquant.

Composants

Symbole chimique

% dans l'air sec

Masse molaire

Azote

N₂

78.0900

28.016

Oxygène

O₂

20.9500

32.000

Argon

Ar

0.9300

39.944

Néon

Ne

18 x 10^-4

20.183

Méthane

CH₄

2 x 10^-4

16.042

Krypton

Kr

1 x 10^-4

83.070

Hélium

He

5.24 x 10^-4

4.003

Dioxyde de carbone

CO₂

3 x 10^-2

44.010

Hydrogène

H₂

5 x 10^-5

2.016

Xénon

Xe

8 x 10^-6

131.300

Radon

Rn

6 x 10^-8

222.000

Ozone

O₃

1 x 10^-6

48.000

Oxyde de carbone

CO

traces variables

28.010

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