Cours de combustion : définitions et équations de combustion

Les équations de combustion des corps purs représentent la combustion totale d'une mole de combustible par de l'oxygène pur.

L'enthalpie de réaction (ou de combustion) associée représente la chaleur dégagée par la combustion totale d'une mole de combustible, les réactifs et les produits étant dans leur état de référence (DH_R^25°C <0).

L'enthalpie DH_R^25°C peut se calculer à partir des enthalpies standard de formation des produits diminuée des enthalpies standard de formation des réactifs, que l'on trouve dans la littérature.

Exemples:

Combustion du carbone: C + O₂ -> CO₂, enthalpie DH_R^25°C = -393,1 kJ.mol^-1, réactifs et produits à 25°C (état de référence)

Quantité d'oxygène nécessaire: 1 mole d'O₂ par mole de C, ou 32/12 = 2.67 kg d'O₂ par kg de carbone.

Combustion de l'hydrogène: H₂ + 1/2 O₂ -> H₂O, enthalpie DH_R^25°C = -241,6 kJ.mol^-1,

Quelques repères quand on parle de combustion:

• Pouvoir calorifique: c'est la quantité de chaleur produite par la combustion totale d'une quantité unitaire de combustible.
• Pouvoir calorifique supérieur PCS: représente l'énergie dégagée par la combustion complète d'un kg ou d'un m³ de combustible, l'eau étant produite à l'état liquide (unité kJ.kg^-1 ou kJ.m³ selon que le combustible est ou non gazeux)
• Pouvoir calorifique inférieur PCI: représente l'énergie dégagée par la combustion complète d'un kg ou d'un m³ de combustible, l'eau étant produite à l'état vapeur (unité kJ.kg^-1 ou kJ.m³ selon que le combustible est ou non gazeux)
• Pouvoir comburivore: c'est la quantité d'air nécessaire pour brûler une quantité unitaire de combustible, en kg d'air par kg de combustible (pour les solides) ou en Nm³ d'air par Nm³ de combustible (pour les gaz).
• Pouvoir fumigène: c'est la quantité de fumées produites par la combustion à l'air d'une quantité unitaire de combustible, en kg de fumées par kg de combustible ou Nm³ de fumées par Nm³ de combustible.
• Comburant: c'est en général de l'air à l'état gazeux (20.8% O₂ en volume, 79.2% N₂ en volume, quelques gaz rares), parfois de l'oxygène pur O₂.
• Excès d'air: c'est la quantité d'air au delà de la stoechiométrie nécessaire à la combustion complète du combustible. Cet excèes d'air est en général de 2 à 10% sur les équipements de chauffe industriels. Un trop faible excès d'air peut conduire à une combustion incomplète, des fumées noires, un étouffement du four. Un trop large excès d'air conduit essentiellement à une perte de rendement.
• Température de flamme: cette température peut être estimée en considérant une combustion adiabatique, c'est à dire que la chaleur dégagée par la combustion est intégralement fournie aux produits de la combustion au niveau de la flamme, sous forme de chaleur sensible (et/ou latente). Les produits de la combustion cèdent ensuite une part de leur énergie par rayonnement dans le foyer, une autre partie de leur énergie par convection/conduction, et en conservent une partie en quittant la chaudière à température plus ou moins importante.
• Température des fumées:
• (Chaudière à) condensation: terme qualifiant une chaudière dans laquelles le reffroidissement des fumées est opéré de manière à condenser la majeure partie de la vapeur d'eau qu'elles contiennent.
• Exemples de combustibles solides: Bois, Charbon (composition C, H, O, N, S variable), Anthracite (92 à 94% de carbone), Houille (75 à 85% de carbone), Lignite (67 à 74% de carbonne), Tourbe (55 à 65% de carbonne), autres...
• Exemples de combustibles liquides: mazout, fuel, hydrocarbures saturés C_nH_m, S, N, O, autres...
• Exemples de combustibles gazeux: méthane CH₄, propane C₃H₈, butane C₄H₁₀, gaz de Lacq (CH₄ 95.4%, C₂H₆ 3.4%, autres 0.8%, N₂ 0.4%), autres...

Equilibrage de l'équation de combustion du méthane: CH₄ + a O₂ -> b CO₂ + c H₂O

équilibrage sur le carbone: b=1

équilibrage sur l'hydrogène: c=2

équilibrage sur l'oxygène: a = b + c/2 = 1 + 1 = 2

soit l'équation de combustion suivante: CH₄ + 2 O₂ -> CO₂ + 2 H₂O

Combustion du propane C₃H₈: écrire et équilibrer son équation de combustion

Combustion du méthanol CH₃-OH: écrire et équilibrer son équation de combustion

Exercice:

Calculer le pouvoir comburivore du gaz de Lacq en Nm³ d'air par Nm³ de gaz.

Calculer son pouvoir fumigène (mêmes unités)

Calculer son PCI et son PCS.

On donne les enthalpies de combustion à 25°C: DH_{C, CH4}= -802 kJ.mol^-1, DH_{C, C2H6}=-1426 kJ.mol^-1, DH_{C, C3H8}=-2042 kJ.mol^-1,

la chaleur latente de vaporisation de l'eau à 25°C, Lv_eau,25°C = 2444 kJ.kg_-1, soit 2444x0.018 = 44 kJ.mol^-1,

Composition du gaz: CH₄ 95.4%, C₂H₆ 3.4%, autres (considérés comme C₃H₈) 0.8%, N₂ 0.4%

Réponses: 9.94 Nm³ d'air/Nm³, 10.96 Nm³ d'air/Nm³, PCI = 37024 kJ/Nm³, PCS = 41032 kJ/Nm³