Combustion
La chaleur produite par le processus de combustion est la principale source thermique pour la majorité des chaudières. Certaines chaudières chauffent l'eau par d'autres méthodes, comme les chaudières électriques, mais ces types ne sont pas aussi répandus que les chaudières à combustibles fossiles.
Le processus de combustion implique l'oxydation des atomes d'hydrogène d'un combustible pour libérer de la chaleur. Étant donné que les chaudières à combustibles fossiles et la production de vapeur sont directement liées, il est essentiel d'examiner le processus de combustion pour mieux comprendre la génération de vapeur. Ce chapitre couvre le processus de combustion et son importance pour la production de vapeur.
Réaction Chimique de Combustion
La combustion est l'oxydation rapide d'un combustible, entraînant un transfert d'énergie sous forme de chaleur et de lumière. Pour cette leçon, il est nécessaire de connaître certains éléments chimiques courants et leurs symboles.
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Symbole Chimique |
Élément ou Substance |
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C |
Carbone |
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H |
Hydrogène |
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CxHy |
Hydrocarbures |
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O |
Oxygène |
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CO2 |
Dioxyde de Carbone |
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H2O |
Eau |
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N2 |
Azote |
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CO |
Monoxyde de Carbone |
Tableau des Symboles Chimiques
Note : Bien que l'oxygène ait le symbole chimique 'O', il est le plus souvent présent sous la forme 'O2' et est souvent indiqué ainsi.
Les combustibles sont à base d'hydrocarbures et représentés par les symboles chimiques CxHy ; les valeurs de x et y varient selon le combustible. D'autres substances peuvent se former lorsque des éléments se combinent, comme lorsque deux atomes d'hydrogène (H) se lient avec un atome d'oxygène (O) pour former de l'eau (H2O).
L'image ci-dessous illustre la réaction chimique qui se produit lorsque le combustible (CxHy) est brûlé avec de l'oxygène (O). Les réactifs de la réaction chimique sont le combustible (hydrocarbures) et l'oxygène. Les produits de la réaction chimique sont le dioxyde de carbone (CO2), l'eau (H2O) et ΔH.
Le symbole 'ΔH' (delta H) représente la chaleur de réaction (également appelée enthalpie de réaction). ΔH indique la quantité d'énergie libérée/transférée par la réaction chimique. ΔH varie en fonction de la complétude de la combustion.
Réaction Chimique de Combustion
Exigences de Combustion
La combustion ne peut se produire que si trois facteurs sont présents :
- Oxygène
- Chaleur
- Combustible
Dans le cas d'une chaudière, l'oxygène est fourni par l'air ambiant, qui contient environ 21% d'oxygène. Les principaux combustibles des chaudières sont le gaz naturel, le fioul et le charbon. La chaleur peut être fournie lors de l'allumage, par exemple en créant un arc électrique pour enflammer le mélange air/combustible.
Un triangle de feu (également appelé triangle de combustion) indique les exigences de la combustion ; un tétraèdre de feu (illustré ci-dessous) remplit un rôle similaire.
Tétraèdre de Feu
Les trois facteurs de combustion doivent également être fournis de manière proportionnellement correcte, sinon la combustion ne peut pas se produire. Un excès d'air ou un manque de combustible peut empêcher la combustion, tout comme un excès de combustible et un manque d'air.
Parfaite, Complète et Incomplète
La combustion dans une chaudière est qualifiée de parfaite, complète ou incomplète.
- Combustion Parfaite – la quantité exacte d'air est fournie pour obtenir une combustion complète du combustible. La combustion parfaite n'est réalisable que dans des conditions de laboratoire.
- Combustion Complète – la quantité minimale d'air est fournie pour obtenir une combustion complète. Les opérateurs de chaudières devraient toujours viser à obtenir une combustion complète.
- Combustion Incomplète – un apport insuffisant d'air entraîne une combustion incomplète.
La combustion complète est essentielle pour éviter une réduction de l'efficacité de la chaudière et des risques potentiels pour la sécurité. Lorsque le combustible se consume complètement, les produits de combustion courants incluent le dioxyde de carbone (CO2), la vapeur d'eau (H2O), l'azote (N2), l'oxyde de soufre (SOx) et l'oxyde nitrique (NOx). Si le combustible ne se consume pas complètement, les produits de combustion peuvent inclure le monoxyde de carbone (CO), la suie et la fumée.
Le monoxyde de carbone est un gaz toxique inflammable qui est moins dense que l'air. La combustion incomplète peut entraîner la génération de monoxyde de carbone, ce qui n'est pas souhaité, car cela représente un risque pour la santé et la sécurité. D'autres sous-produits de la combustion incomplète incluent la suie et la fumée, qui peuvent réduire le transfert de chaleur dans la chaudière, entraînant une réduction globale de l'efficacité.
Air Primaire, Secondaire et Excédentaire
La quantité d'air fournie à une chaudière pour la combustion varie selon que la combustion est complète ou incomplète. Il est possible de mesurer les gaz de combustion pour déterminer si la combustion était complète ou incomplète. Un excès d'oxygène dans les gaz de combustion indique un apport excessif d'air pour la combustion. Des niveaux élevés de monoxyde de carbone dans les gaz de combustion indiquent un apport insuffisant d'air et une combustion incomplète.
Si le combustible n'est pas entièrement brûlé, les niveaux de monoxyde de carbone seront élevés, et plus d'air devra être fourni par le brûleur de la chaudière pour obtenir une combustion complète. Si trop d'air est fourni, les niveaux d'oxygène dans les gaz de combustion seront élevés, et la quantité d'air fournie au brûleur de la chaudière devra être réduite.
L'air total fourni à la chaudière est en outre catégorisé comme étant soit primaire, secondaire ou excédentaire.
- Air Primaire – est mélangé avec le combustible avant qu'il n'atteigne l'espace de combustion. L'air primaire contrôle la quantité de combustible brûlé.
- Air Secondaire – est ajouté à l'espace de combustion pendant la combustion. L'air secondaire contrôle l'efficacité avec laquelle le combustible est brûlé.
- Air Excédentaire – est l'air ajouté au processus de combustion qui n'était pas nécessaire pour la combustion. L'air excédentaire est l'air secondaire qui ne faisait pas partie du processus de combustion.
- Air Total – la somme de l'air fourni pour le processus de combustion, c'est-à-dire air primaire + air secondaire + air excédentaire = air total.
Note : Le terme air de dilution décrit l'air ajouté au conduit (espace entre la chaudière et la cheminée) pour aider les gaz de combustion à s'écouler de la chaudière vers l'atmosphère
Ressources Supplémentaires
https://en.wikipedia.org/wiki/Combustion
https://www.bbc.co.uk/bitesize/topics/zypsgk7/articles/zcwxcj6#
http://www.auburn.edu/academic/forestry_wildlife/fire/combustion.htm