Combustion de charbon dans un four: bilan matière et énergétique

Un four est utilisé pour chauffer en continu un important débit de gaz de 150 à 360°C. Le gaz circule à l’intérieur de tubes situés dans le four dans la zone de convection et dans la zone de rayonnement. Le four est conçu de telle façon qu’il permette la combustion totale de 100 kg.h-1 de charbon contenant 93% de carbone pur lorsque 1200 Nm3.h-1 d’air sont utilisés. En dessous de cette quantité d’air, la combustion est imparfaite et des fumées génantes pour le voisinnage sont émises. Tous les calculs seront faits pour 1 heure.
1°) Faire un schéma de principe du four en y faisant figurer les flux de matière et d’énergie.
2°) Etablir les bilans matière en masse, moles et volumes du four, et regrouper les résultats dans un tableau.
3°) Calculer l’excès d’air utilisé dans la combustion, et calculer le %O2 (volumique) dans les fumées.
4°) Calculer l’énergie dégagée par la combustion.
5°) Calculer l’énergie emportée par les fumées et l’énergie emportée par la part des fumées due à l’excès d’air. On Considèrera pour cette question que la combustion s’effectue à 25°C, température des réactifs entrant.
6°) Estimer les pertes thermiques en considérant que la surface extérieure du four fait 400 m2 et est à 115°C, et que l’air ambiant est à 25°C. Le coefficient superficiel d’échange entre la paroi extérieure du four et l’air environnant peut être estimé par la relation he=1.3×Δθ0.25 , avec he en kcal.h-1.m-2.°C-1.
7°) Calculer par bilan l’énergie récupérée par le gaz chauffé dans le four.
8°) Calculer le rendement thermique de l’opération comme le rapport entre l’énergie utile et l’énergie consommée. Calculer également la baisse de rendement due aux fumées sans excès d’air, à l’excès d’air, et aux pertes thermiques. Discuter.
Données: l’air et le charbon entrent à 25°C dans le four. Les fumées issues de la combustion sortent de la cheminée du four à 400°C. Les cendres provenant de la combustion du charbon sont négligées dans les bilans. La combustion totale d’une mole de carbone à 25°C libère 393.1 kJ. Les capacités thermiques molaires moyennes entre 25 et 400°C des constituants des fumées sont CpCO2, gaz =44 J.mol-1.K-1 et CpO2,g = CpN2,g =30 J.mol-1.K-1.

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