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CHAPITRE 3. COMBUSTION ET COMBUSTIBLES 1. Introduction 1La combustion est la pr

CHAPITRE 3. COMBUSTION ET COMBUSTIBLES 1. Introduction 1La combustion est la principale source des polluants déversés dans l’air. Dans la première partie de ce chapitre, nous allons examiner les mécanismes de formation des polluants dans la flamme afin de comprendre comment il est possible d’améliorer la situation par adaptation des conditions de combustion. Dans une seconde partie, nous passerons en revue les principaux combustibles à notre disposition, actuellement et dans le futur, pour en souligner les qualités et les défauts. COMBUSTION ET POLLUTION 2. La flamme 2La flamme est une réaction d’oxydation très rapide qui se déroule en phase gazeuse, à haute température, généralement entre 1000 et 2 000°C. Elle dégage de l’énergie thermique (réaction exothermique) grâce à l’oxydation d’un combustible (généralement un hydrocarbure), par l’oxygène de l’air, le comburant. La réaction ne se déroule que si le mélange comburant-combustible a été réalisé dans des proportions adéquates. L’exemple simple de la combustion du méthane se représente par : Agrandir Original (jpeg, 48k) 3Ce schéma réactionnel, où n’interviennent que des gaz, présente la réaction dans les conditions de « stœchiométrie » stricte, c’est à dire dans des proportions de réactifs telles que n’apparaît ni déficit ni excès de l’un ou de l’autre. La réaction peut, bien sûr, se dérouler dans des limites plus larges de composition du mélange mais, dans ces conditions, l’excès d’un des réactifs (par exemple 11 volumes d’air pour 1 volume de méthane) apporte dans le mélange un supplément d’une substance qui ne peut évidemment réagir et qui, en conséquence, dilue le milieu réactionnel. Il en résulte un abaissement de la température moyenne de la flamme dont la production d’énergie thermique est alors partiellement consacrée à l’échauffement de ce diluant. On comprend ainsi que le maximum de température d’une flamme sera toujours atteint à des concentrations proches de la stœchiométrie des réactifs. L’écart par rapport aux conditions de stœchiométrie se mesure par la « richesse » du mélange définie par : Agrandir Original (jpeg, 49k) 4Une flamme caractérisée par un excès de combustible est dite « riche » tandis qu’une flamme sous excès d’air est dite « pauvre ». Les combustibles coûtent cher, l’air est gratuit : il est donc compréhensible que l’on souhaite toujours travailler sous un excès d’air (mélange pauvre) pour faire réagir un maximum du combustible investi. A l’inverse, travailler en mélange riche, entraîne le gaspillage du combustible qui n’a pu réagir et, en outre, signifie l’envoi dans la cheminée d’imbrûlés qui, nous le verrons, sont particulièrement polluants.  1 Quelques exemples de flammes de diffusion : une flamme de bougie, de briquet, un feu de bois, … 5La flamme, réaction d’oxydation vive, ne peut exister qu’à haute température : si le mélange s’éloigne trop de la stœchiométrie (suite à un excès de dilution par l’un des réactifs), sa température peut descendre à des valeurs trop basses pour que la réaction puisse se maintenir. On atteint ainsi les « limites d’inflammabilité » du mélange. Par exemple, le méthane en mélange avec de l’air ne s’enflammera que si ses concentrations sont comprises entre 5 et 15 % en volume. Réaliser une flamme « propre » demanderait que combustible et comburant gazeux soient intimement mélangés dans les proportions adéquates avant d’être enflammés de manière à ce que toutes les molécules de réactifs soient mises en présence avant le démarrage de la réaction de combustion : c’est le cas dans un « bec de Bunsen » fonctionnant avec la virole d’admission d’air ouverte ou encore un chalumeau oxyacétylénique. Ce mode de fonctionnement (flamme de « prémélange ») garantit une réaction totale entre comburant et combustible et donc une émission pratiquement nulle de substances imbrûlées. En revanche, une telle solution présente un danger manifeste : le (pré)mélange est détonant et le risque existe de voir la flamme se propager violemment, dans la tubulure d’admission, à la rencontre du flux de réactifs. Le résultat en serait une explosion d’autant plus destructrice que la quantité des gaz prémélangés est importante. En conséquence, par mesure de précaution, dans la majorité des applications industrielles et domestiques (chaudières), le mélange air- combustible est effectué directement dans la chambre de combustion par injection ou pulvérisation du combustible dans un flux d’air pulsé1. On réalise ainsi ce que l’on appelle une « flamme de diffusion » dans laquelle doivent être créées des conditions de turbulence qui garantissent un mélange rapide et intime des réactifs. Le schéma ci-dessous représente cette structure de flamme assurée par une pulsion intense, turbulente, du combustible et de l’air dans une chaudière. Agrandir Original (jpeg, 37k) 6En réalité, dans ce type de flamme, la combustion se déroule en « poches », c’est à dire dans les zones de la flamme où sont atteintes les limites d’inflammabilité du combustible. La réaction de combustion proprement dite est un phénomène extrêmement rapide par comparaison avec la vitesse de mélange des réactifs ; c’est donc ce dernier paramètre qui, en définitive, déterminera le temps total de réaction. Une turbulence élevée des gaz pulsés dans la chaudière, assurant un mélange rapide des gaz, réduit d’autant le volume et le temps d’existence de la flamme. Cette turbulence des gaz garantit que toutes les molécules de combustible seront mises rapidement en contact avec l’air, avant que la température du mélange gazeux ne descende à des valeurs trop basses qui « figeraient » la réaction de combustion laissant des imbrûlés échapper dans les fumées. D’autre part, le mélange n’étant pas instantané, il est évident qu’il existe au sein de la flamme (à l’émergence du brûleur), des zones où le combustible se trouve pratiquement à l’état pur (mélange très riche) et porté à des températures qui croissent rapidement. 7La même structure de flamme s’observe lorsque du combustible liquide est pulvérisé en fines gouttelettes dans la chaudière. Mais ici apparaît une étape supplémentaire qui consiste en la volatilisation de l’hydrocarbure liquide : une flamme de fioul liquide que l’on voit s’étirer dans l’enceinte d’une chaudière résulte en fait de la contribution de myriades de gouttelettes dont chacune s’entoure d’un front de flamme extrêmement ténu. Ce front de réaction irradie la surface du liquide qui s’évapore et vient alimenter la phase gazeuse. Il y a donc ici, à l’échelle microscopique, mélange progressif entre l’atmosphère dans laquelle les gouttelettes sont pulvérisées et la vapeur qu’elles émettent sous l’effet des radiations émises par le front de flamme qui les enveloppe. Cette zone de transition, riche en combustible, coincée entre le liquide et le front de flamme, est à l’origine de la formation de suies. La même situation se rencontre durant la phase de pulvérisation de l’essence dans le moteur Diesel. Agrandir Original (jpeg, 71k) 3. Les combustibles fossiles – généralités 8La croûte terrestre recèle d’énormes quantités de matières combustibles qui résultent de la fossilisation de matières organiques très anciennes. Le pétrole, matière fluide, et le gaz naturel dérivent d’organismes marins accumulés il y a environ un million d’années. 9Le pétrole est constitué majoritairement d’hydrocarbures aliphatiques, avec peu d’aromatiques (v. schémas ci-dessous), ne renfermant généralement pas plus de 30 atomes de carbone. Les gisements de houille, quant à eux, sont issus des fougères arbustives luxuriantes qui couvraient les marécages, abondants il y a 250 millions d’années. Ces fougères ont subi une pétrification progressive, à l’abri de l’air, sous une pression et une température croissant au fur et à mesure de leur enfouissement. Durant ce processus, les molécules végétales ont progressivement perdu de l’hydrogène, de l’oxygène et de l’azote, provoquant un enrichissement en carbone et réduisant la teneur en matières volatiles. La matière végétale de départ est ainsi progressivement passée de l’état de tourbe à l’anthracite, en passant par le lignite, les charbons gras et les charbons maigres. Contrairement aux molécules du pétrole, l’aromatisation du carbone prédomine ici. 10L’origine biologique des combustibles fossiles se manifeste par la présence d’éléments caractéristiques des molécules biologiques, à savoir le carbone et l’hydrogène, bien sûr, mais aussi, en moindres proportions, le soufre, l’azote et bien d’autres éléments naturellement présents en traces dans tous les organismes vivants. Carbone et hydrogène sont les éléments majeurs dans la production d’énergie thermique. Soufre et azote contaminent les combustibles, ainsi d’ailleurs que des oxydes de métaux, présents dans la croûte terrestre, qui se sont mélangés aux constituants organiques : ils se retrouvent sous forme d’oxydes qui forment les cendres après combustion de la matière hydrocarbonée. Les combustibles fossiles se caractérisent par quelques propriétés physiques et chimiques qui intègrent les qualités et les défauts que l’on peut attendre d’eux lors de leur production et de leur utilisation : il s’agit principalement : (1) de leur nature physique (gaz, liquide, solide), qui conditionne leur plus ou moins grande facilité d’exploitation, de transport, de distribution, (2) de leur viscosité et de leur volatilité pour ce qui concerne les liquides : qualités influençant les problèmes de manutention mais, surtout, leur volatilisation au moment où ils sont injectés dans les chaudières ou dans les moteurs thermiques, (3) de leur densité énergétique, massique ou volumique (MJ/kg, MJ/L pour les liquides ou MJ/m3 pour les gaz) et enfin, (4) du rapport moyen entre uploads/Finance/ combustion-et-combustibles 1 .pdf