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Date de publication : 10 juillet 2004 Pour toute question : Service Relation cl

Date de publication : 10 juillet 2004 Pour toute question : Service Relation clientèle Techniques de l’Ingénieur Immeuble Pleyad 1 39, boulevard Ornano 93288 Saint-Denis Cedex Par mail : infos.clients@teching.com Par téléphone : 00 33 (0)1 53 35 20 20 Réf. : AF6210 V1 Chimie de la combustion - Flammes à base d’hydrocarbures Cet article est issu de : Énergies | Physique énergétique par Véronique DIAS, Jacques VANDOOREN Document téléchargé le : 31/03/2021 Pour le compte : 7200029589 - enit // naima NAIMA // 196.203.130.9 © Techniques de l'Ingénieur | tous droits réservés Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur AF 6 210 − 1 Chimie de la combustion Flammes à base d’hydrocarbures par Véronique DIAS Docteur Assistante de recherche au laboratoire de physico-chimie de la combustion à l’Université catholique de Louvain (Belgique) et Jacques VANDOOREN Professeur au département de chimie à l’Université catholique de Louvain (Belgique) a combustion est un phénomène important puisqu’elle est utilisée comme source d’énergie principale. Le problème majeur de ce processus est la forma tion de polluants (CO, composés organiques volatils (COV), oxydes d’azote (NOx), hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), suie...). En effet, dans l’activité humaine, ces composés sont ceux qui prédominent dans l’environnement par les rejets de nombreux systèmes de combustion : moteurs automobiles, sidérurgie, entreprises chimiques, incendies, incinérateurs de déchets urbains... Depuis de nombreuses années, les sociétés européennes mais également internationales tentent de réduire cette pollution de l’air et, notamment, celle engendrée par les processus de combustion qui peuvent produire des hydro carbures aromatiques polycycliques menant ﬁnalement à la formation de la suie. Cet article est centré principalement sur la formation de ces composés hydrocarbonés. De nos jours, les principaux combustibles utilisés sont fossiles tels que le char bon, le pétrole et le gaz naturel. Pour connaître le cheminement de formation des espèces chimiques obtenues à partir du combustible initial jusqu’aux pro duits ﬁnaux, des études cinétiques sont effectuées par différentes techniques d’analyse. L ’intérêt de telles études est de déterminer la vitesse de réaction de chaque processus chimique ainsi que la nature de ces différents composés 1. Phénomène de la combustion.............................................................. AF 6 210 - 2 1.1 Qu’est-ce que la combustion ? ................................................................... — 2 1.2 Les combustibles......................................................................................... — 2 1.3 Techniques d’analyse utilisées ................................................................... — 3 1.3.1 Réacteurs............................................................................................. — 3 1.3.2 Systèmes à compression ................................................................... — 4 1.3.3 Brûleurs ............................................................................................... — 5 1.4 Cinétique chimique et élaboration de modèle réactionnel ...................... — 7 1.4.1 Étapes réactionnelles ......................................................................... — 7 1.4.2 Élaboration d’un modèle réactionnel................................................ — 7 2. Formation des précurseurs des suies dans les ﬂammes d’hydrocarbures........................................................................................ — 9 2.1 Oxydation des hydrocarbures .................................................................... — 9 2.2 Formation du premier cycle aromatique et des hydrocarbures aromatiques polycycliques......................................................................... — 10 2.2.1 Formation du premier cycle aromatique .......................................... — 10 2.2.2 Formation des hydrocarbures aromatiques polycycliques et de la suie ......................................................................................... — 11 3. Perspectives .............................................................................................. — 14 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. AF 6 210 L Parution : juillet 2004 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200029589 - enit // naima NAIMA // 196.203.130.9 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200029589 - enit // naima NAIMA // 196.203.130.9 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200029589 - enit // naima NAIMA // 196.203.130.9 tiwekacontentpdf_af6210 v1 CHIMIE DE LA COMBUSTION _____________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. AF 6 210 − 2 © Techniques de l’Ingénieur produits. Une fois ces connaissances acquises, il est plus aisé d’intervenir sur le mode de combustion des hydrocarbures pour réduire les polluants et augmenter le rendement énergétique. Différentes techniques avec leur appareillage spéciﬁque permettent d’analyser la combustion des espèces hydrocarbonées : les réacteurs (fermés, à écoule ment tubulaire, parfaitement agités), les systèmes à compression (machine à compression rapide, tube à choc) et les brûleurs (à ﬂamme de prémélange, à ﬂamme de diffusion). À partir de ces dispositifs expérimentaux, des mesures de constantes cinétiques peuvent être effectuées ; elles déterminent la vitesse à laquelle se déroule une réaction. Ces résultats servent de base à l’élaboration d’un mécanisme cinétique qui regroupe toutes les voies réactionnelles ayant lieu pendant la combustion. Ces modèles permettent de simuler la combustion d’un hydrocarbure dans un réacteur donné, avec des conditions de température et de pression déﬁnies. En comparant les résultats calculés avec ceux obtenus expérimentalement, le mécanisme est validé ou non : c’est-à-dire que, dans les mêmes conditions que celles du mode opératoire, il doit pouvoir représenter l’expérience au point de vue cinétique. Un tel mécanisme pourra ensuite être utilisé dans des calculs industriels : pour optimiser la fabrication d’un système de combustion en réduisant la pollution et en augmentant le rendement, pour prévoir les concentrations de polluants ainsi que leur vitesse de réaction... Il est important de connaître les différents processus de formation des pol luants aﬁn de les enrayer et de réduire leur production. Depuis plusieurs années, de nombreuses recherches ont permis de progresser dans le domaine de la cinétique de la combustion des hydrocarbures. L ’oxyda tion de ces espèces hydrocarbonées est actuellement assez bien connue, et les principales études s’effectuent sur la formation des composés plus lourds, comme le premier cycle aromatique et les hydrocarbures aromatiques poly cycliques (HAP). La préoccupation née de la présence de HAP dans l’environ nement est liée à leurs propriétés cancérigènes, mutagènes et cytotoxiques. Leur formation provient d’espèces composées de deux à six carbones et ils sont déﬁnis comme « précurseurs de suie » puisqu’ils mènent directement (ou indi rectement) à la formation de celle-ci. Une analyse de ces différentes voies réactionnelles pour la formation des composés hydrocarbonés, des HAP et de la suie est présentée dans cet article. 1. Phénomène de la combustion 1.1 Qu’est-ce que la combustion ? Elle nécessite un comburant (généralement l’air ou l’oxygène) et un combustible (tels que les composés hydrocarbonés et oxygénés). D’une manière générale, la combustion complète d’un composé hydrocarboné produit du dioxyde de carbone (CO2) et de l’eau : Cependant, cette réaction ne représente qu’un bilan global de la combustion. Des espèces intermédiaires de réaction sont formées à partir du combustible initial et contribuent à la production de ces produits (CO2 et H2O) ainsi qu’à celle de composés plus lourds lors d’une combustion incomplète. Dans le monde moderne, la combustion est surtout utilisée pour produire de l’énergie (chaleur, électricité) mais aussi pour obtenir des détonations (explosions utilisées pour la sécurité industrielle, la propulsion hypersonique, la pyrotechnie). 1.2 Les combustibles Au point de vue énergétique, les principaux combustibles uti lisés sont des combustibles fossiles comme le charbon, le pétrole, le gaz naturel, qui couvrent 75 % des besoins énergétiques dans le monde [27]. ■ Le charbon est le combustible fossile le plus abondant sur la planète ; il couvre 30 % de la demande mondiale d’énergie, dont 50 % de la production mondiale d’électricité. Il s’est formé après La combustion est une réaction chimique globalement et généralement fortement exothermique, autonome, susceptible de s’accélérer brutalement et d’être accompagnée d’émission de rayonnements. Elle peut être lente ou vive, turbulente, spon tanée, catalytique... Cm Hn m n 4 - - - - - - + O2 + m CO2 n 2 - - - - - -H2O + → Parution : juillet 2004 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200029589 - enit // naima NAIMA // 196.203.130.9 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200029589 - enit // naima NAIMA // 196.203.130.9 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200029589 - enit // naima NAIMA // 196.203.130.9 tiwekacontentpdf_af6210 v1 _____________________________________________________________________________________________________________ CHIMIE DE LA COMBUSTION Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur AF 6 210 − 3 200 à 300 millions d’années à partir des débris végétaux, et est composé de carbone, d’hydrogène et d’oxygène avec des pourcen tages, pour ces trois éléments, différents selon son âge (plus son temps de vie est long, plus il se rapproche du carbone pur) et son milieu géographique. L ’utilisation du charbon pose de nombreux problèmes puisque c’est un composé lourd et hétérogène ; il est polluant (problème de la production de cendres) et contribue à l’effet de serre. Sa res source reste importante et est évaluée à 200 ans, voire plus. ■ Le pétrole, qui représente le combustible liquide le plus impor tant, voit sa réserve diminuer au cours du temps pour n’être éva luée actuellement que pour une durée de 40 ans environ. Sa production est de plus en plus difﬁcile et 75 % des réserves sont dans une région politiquement plus ou moins stable, au Moyen-Orient. Pour économiser ce combustible, l’utilisation du pétrole est de plus en plus spéciﬁque, ce qui demande un rafﬁnage de plus en plus poussé. En effet, actuellement, le pétrole est utilisé principa lement en tant que carburant mais aussi dans un secteur pétrochi mique très avancé. Toutes les fractions de ce combustible sont récupérées et valorisées. ■ Le uploads/Industriel/ tch-2.pdf