Comme pour toutes les installations de chauffage, une combustion correcte est essentielle pour une installation de chauffage au mazout.
Lorsqu’il règle le brûleur, le technicien doit tenir compte de différents facteurs: la teneur en CO2- , l’indice de fumée, la température des gaz de combustion, le rendement, une amenée suffisante d’air frais dans la chaufferie, etc.
Dans la pratique, le contrôle des émissions de NOx, SO2 et CO peut encore s’y ajouter. Le technicien doit donc avoir à sa disposition les appareils de mesure nécessaires pour contrôler la qualité de la combustion.
La combustion peut être décrite comme la réaction chimique entre l’oxygène et une substance inflammable, qui produit un dégagement de chaleur.
Une loi chimique l’affirme: “dans toute réaction chimique, le poids total des composants qui participent au processus reste inchangé. En outre, la liaison entre les différents composants a toujours lieu à une même composition de masse” (loi de conservation de la masse). Dans le cas présent, nous parlons de poids moléculaire .
Une molécule est la particule la plus petite d’une matière qui pos-sède encore les propriétés de cette matière. Une molécule est tellement infime qu’il est impossible de la voir, même avec le micros-cope le plus puissant . Or, une molécule est elle-même composée de particules plus petites: les atomes. Ces atomes sont désignés par des symboles. Quelques exemples:
3.1 Généralites
3. LA COMBUSTION DU MAZOUT
Elément Symbole Masse
atomique Masse
moléculaire
Carbone C 12 12 (C)
Oxygène O 16 32 (O2)
Azote N 14 28 (N2)
Soufre S 32 32 (S)
Hydrogène H 1 2 (H2)
Comme les molécules d’hydrogène, d’oxygène ou d’azote sont composées de deux atomes, elles sont désignées par les symboles suivants : H2, O2, N2.
Quand des molécules se lient entre elles pour former une molécule composée, on parle de réaction chimique. L’hydrogène et l’oxygène réagissent comme suit:
ou
2 H2 + O2 = 2H2O
En termes de masse moléculaire, cela donne 4 grammes d’hydro-gène + 32 grammes d’oxyd’hydro-gène = 36 gr d’eau. Une molécule d’eau se compose donc de 2 atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène.
H2
H2 O2 2H2O
3.2 Composition de l’air pur
Une combustion ne se produit qu’en présence d’une quantité d’oxygène (air) suffisante pour mener à bien la réaction chimique. Le tableau ci-dessous reprend les principaux composants de l’air et leurs proportions.
Outre ces (principaux) éléments, l’air contient encore des gaz tels que l’hélium (He), le néon (Ne), le méthane (CH4), le krypton (Kr), le monoxyde d’azote (N2O), le monoxyde de carbone (CO), etc. Ces éléments ne se retrouvent qu’en très petites fractions.
Elément Formule
chimique Pour-cent de
volume Pour-cent de masse
Azote N2 78,08 75,52
Oxygène O2 20,95 23,1
Argon Ar 0,93 1,29
Dioxyde de arbone CO2 0,034 0,052
La combustion du gasoil de chauffage est une puissante réaction exotherme. Cela veut dire qu’elle dégage de la chaleur, contrai-rement à une réaction endotherme qui soustrait de la chaleur à l’environnement.
3.3.1 La combustion complète
Lorsque la combustion est complète, le carbone se lie entièrement avec l’oxygène présent dans l’air. Après avoir réagi avec les molécules d’oxygène, le carbone présent dans le combustible se transforme en dioxyde de carbone. La réaction se présente comme suit:
C + O2 CO2
Cette réaction dégage une chaleur d’environ 33,830 MJ par kg de carbone brûlé. Une combustible complète nécessite que deux conditions soient réunies. Avant tout, il faut une quantité suffisante d’oxygène (air) et, en second lieu, le combustible et l’air comburant doivent être mélangés dans une juste proportion.
La combustion de l’hydrogène est également une réaction exo-therme qui dégage une quantité considérable de chaleur.
Cette réaction se présente comme suit: 2 H2 + O2 2 H2O Pour chaque kg d’hydrogène, elle dégage environ 141,890 MJ de chaleur.
3.3.2 La combustion incomplète
S’il n’y a pas assez d’oxygène (manque d’air), le carbone brûlera quand même mais cette réaction libérera du monoxyde de carbone.
Il s’agit d’un gaz incolore et inodore mais toxique.
En outre, cette combustion incomplète est une réaction qui dégage nettement moins de chaleur qu’une combustion complète: environ 30% par kg de carbone brûlé. Cela représente une perte d’énergie potentielle de 33,83 MJ - 10,22 MJ = 23,61 MJ par kg de carbone brûlé.
Cette énergie s’échappe par la cheminée sous forme de monoxyde de carbone. La réaction se présente comme suit:
C + 1/2 O2 CO.
3.3.3 La combustion destructive
La combustion destructive se caractérise par des flammes lumi-neuses jaunes et se produit quand de l’air comburant est ajouté au combustible pendant que ce dernier brülle.. La flamme d’une bou-gie est un exemple typique de combustion destructive.
Comme la flamme soustrait l’oxygène nécessaire à l’air ambiant, elle doit avoir une grande surface de contact avec l’air et pouvoir se développer librement dans l’air. Dès que la flamme entre en contact avec un obstacle (p.ex. la paroi d’un foyer), la combustion cesse et le carbone non brûlé se libère sous forme de suie.
La combustion se produit uniquement à la surface de la flamme et sur une épaisseur de moins de 1 millimètre. Le noyau de la flamme contient des hydrocarbures gazéifiés qui ne peuvent toutefois pas brûler complètement avec l’air.
La très mince zone de combustion rayonne très fort, tant vers l’in-térieur que vers l’exl’in-térieur. Etant donné la température élevée qui règne dans le noyau de la flamme du fait de la concentration du rayonnement, les hydrocarbures présents sont “craqués”, ce qui veut dire que les particules de carbone sont séparées des particules d’hydrogène.
Les particules d’hydrogène, qui ont une grande affinité avec l’oxy-gène, commencent par s’enflammer et chauffent à blanc les parti-cules de carbone. Ce sont ces partiparti-cules incandescentes qui rendent l’extérieur de la flamme lumineux et jaune.
3.3.4 La combustion hydroxylative (bruleur à flamme bleue)
La combustion hydroxylative se caractérise par des flammes bleues.
Une quantité donnée d’air, appelée air primaire, est mélangée au combustible gazéifié préalablement à la combustion. La flamme soustrait à l’environnement le reste de l’air comburant nécessaire pour une combustion complète. L’amenée d’air se fait donc en deux phases:
• l’amenée d’air primaire préalablement à la combustion;
• l’amenée d’air secondaire pendant la combustion.
On estime généralement que le rapport air primaire/air secondaire est de 50/50.
La combustion hydroxylative ne provoque pas de craquage par flamme. Il y a moins de risque de formation de suie qu’avec un brû-leur à flamme jaune.
Le gasoil de chauffage est un mélange complexe d’hydrocarbures, composé de liaisons multiples de carbone et d’hydrogène. Le terme général s’écrit: CxHy.
Pour être en mesure de calculer la quantité de produits de com-bustion en cas de comcom-bustion complète, nous devons connaître la composition du combustible. Cette composition s’exprime en un pourcentage de la masse (pour-cent de masse). Le tableau ci-dessous reprend les principaux composants:
3.4.1 La combustion du carbone
La combustion incomplète du carbone
C + ½ O2 CO + chaleur ou
12 g C + 16 g 02 = 28 g CO + chaleur
Nous ramenons cette réaction à 1 gramme de carbone:
1 g C + 1,335 g 02 = 2,335 g CO + warmte
Le produit qui s’est formé est le monoxyde de carbone.
Caractéristiques du monoxyde de carbone (CO):
• Inflammable
• Très toxique; attaque les globules rouges
• Incolore, inodore et insipide
• Lorsque 1/5.000 de l’air inspiré se compose de CO, plus de 20%
des globules rouges sont détruits.
• Très polluant de l’air
3.4 La combustion du gasoil de chauffage
Composant Pour-cent de masse
Carbone (C) 86
Hydrogène (H) 13
Soufre (S) 0.2
koolstofdioxide 0,052
1 mol C + ½ mol O2 1 mol CO + chaleur
Attention
La combustion complète du carbone
C + 02 CO2 + chaleur ou
12 g C + 32 g 02 = 44 g CO2 + chaleur
Nous ramenons cette réaction à 1 gramme de carbone:
1 g C + 2,67 g 02 = 3,67 g CO2 + chaleur
La combustion de 1 gramme de carbone nécessite donc 2,67 grammes d’oxygène. Nous obtenons alors 3,67 grammes de dioxyde de carbone.
Le produit formé est du dioxyde de carbone ou gaz carbonique.
Caractéristiques du CO2:
• Bien soluble dans l’eau
• Non inflammable
• Présent dans l’atmosphère
• Non toxique
• Insipide et incolore
•
Une combustion complète dégage environ trois fois plus de chaleur qu’une combustion incomplète. Au vu des caractéristiques du CO et du CO2 , on peut conclure que nous devons toujours rechercher une combustion complète pour des raisons de pollution de l’air et de rendement.
3.4.2 La combustion de l’hydrogène
2 H2 + 02 2 H20 + chaleur ou
4 g H2 + 32 g 02 = 36 g H20 + chaleur
Nous ramenons cette réaction à 1 gramme d’hydrogène:f:
1 g H2 + 8 g 02 = 9 g H2O + chaleur
La combustion de 1 gramme d’hydrogène nécessite donc 8 grammes d’oxygène. Nous obtenons alors 9 grammes d’eau sous forme de vapeur d’eau.
L’hydrogène se lie à l’oxygène pour former de l’eau. L’eau formée peut se libérer à l’état liquide ou à l’état de vapeur. Quand l’eau se libère à l’état liquide, elle est condensée et a cédé sa chaleur de conden-sation, et par conséquent dégagé plus de chaleur (rendement plus élevé).
2 mol H2 + 1 mol O2 2 H2O + chaleur
Attention
1 mol C + 1 mol O2 1 mol CO2 + chaleur
Attention
3.4.3 La combustion du soufre
S + O2 SO2 + chaleur ou
32 g S + 32 g O2 = 64 g SO2 + chaleur
Nous ramenons cette réaction à 1 gramme de soufre:
1 g S + 1 g O2 = 2 g SO2 + chaleur
La combustion de 1 gramme de soufre nécessite donc 1 gramme d’oxygène. Nous obtenons alors 2 grammes de dioxyde de soufre.
Cette réaction dégage peu de chaleur et comme il y a peu de soufre dans le combustible, elle est négligeable du point de vue de la tech-nique thermique..
Caractéristiques du SO2 :
• Gaz incolore à odeur piquante
• Bien soluble dans l’eau
• Risque de formation d’acide sulfurique (attaque les métaux)
3.4.4 Détermination de la quantité d’oxygène
En nous basant sur la composition du combustible, nous pouvons facilement calculer la quantité théorique d’oxygène nécessaire pour obtenir une combustion complète .
Le tableau ci-dessous indique la quantité d’oxygène que nécessite la combustion complète de 1 kilogramme de gasoil et de 1 litre de gasoil:
Mazout
(1kg) Oxygène
nécessaire (3.338 gr) Carbone (858 g) 2296 g Hydrogène (140 g) 1040 g
Soufre (2 g) 2 g
Mazout
(1 l) Oxygène
nécessaire (2.823 gr) Carbone (726,7 g) 1941 g Hydrogène (110 g) 880 g
Soufre (1,69 g) 1,69 g 1 mol S + 1 mol O2 1 mol SO2 + chaleur
Attention
Nous connaissons la quantité totale d’oxygène nécessaire pour la combustion de 1 litre de gasoil de chauffage: 2.823 grammes. Nous connaissons d’ailleurs aussi la composition de l’air pur. L’air se com-pose d’oxygène pour 23 pour-cent de masse. Nous calculons doncle poids total d’air nécessaire pour une combustion complète:
2823 x 100 = 12274 g =12,274 kg air 23
Pour une combustion stœchiométrique, nous avons besoin d’environ 12,3 kg d’air par litre de combustible. Il n’est évidemment pas réaliste d’exprimer une quantité d’air en kg. En partant du poids volumique de l’air à 15°C (nous prenons ici 15°C comme température moyenne de l’air comburant), nous calculons le volume d’air correspondant à 12,3 kg à15°C et à une pression atmosphérique normale de 1.013 mbar (poids volumique de l’air à 15°C et 1.013 hPa = 1,2258).
12,3 = 10,03 m3 air à 15°C 1,2258
Mais dans la pratique, nous n’obtiendrons jamais une combustion complète avec la quantité d’air calculée théoriquement. En effet, un certain nombre de particules d’oxygène circulent librement dans le foyer sans se lier aux matières combustibles. Nous devons donc tou-jours travailler avec une quantité d’air plus importante que celle que nous avions calculée au début. Nous travaillons donc avec un excès d’air. Dans la pratique, nous tiendrons compte d’un excès d’air de maximum 24% (12% CO2). Nous obtenons alors un volume d’environ 12,44 (12,5) m3 d’air par litre de gasoil de chauffage.
3.5.1 Quantité de dioxyde de carbone (CO
2)
Nous avons vu que pour 1 gramme de carbone, il se forme 3,67 grammes de dioxyde de carbone (CO2). Il se forme donc environ 2.667 gr ou 2,667 kg de dioxyde de soufre par litre de gasoil de chauffage (726,7 gr de carbone).
La densité du dioxyde de carbone à 0°C et 1.013 mbar est de 1,977.
Nous calculons la teneur volumique en CO2: CO2: 2,667 kg = 1,35 Nm3
1,977 kg/Nm3
3.5.2 Quantité d’eau sous forme de vapeur d’eau (H
2O)
Pour 1 gr d’hydrogène, il se forme toujours 9 grammes de vapeur d’eau. Il se forme donc environ 990 gr ou 0,99 kg de vapeur d’eau par litre de gasoil de chauffage (110 gr). La densité de la vapeur d’eau à 0°C et 1.013 mbar est de 0,804. Nous calculons le volume de vapeur d’eau.
0,990 kg = 1,23 Nm3 0,804 kg/Nm3
3.5.3 Quantité de dioxyde de soufre (SO
2)
Pour 1 gr de soufre (S02), il se forme toujours 2 grammes de dioxyde de soufre. Il se forme donc environ 3,38 gr ou 0,0038 kg de dioxyde de soufre par litre de gasoil de chauffage (1,69 gr). La densité du dioxyde de soufre à 0°C et 1.013 mbar est de 2,9263.. Nous calculons le volume de dioxyde de soufre:
0,00338 kg = 0,0011555 Nm3 2,9263 kg/Nm3
3.5.4 Quantité d’azote (N
2)
Nous connaissons la quantité totale d’oxygène (02) nécessaire pour la combustion de 1 litre de gasoil de chauffage: 2.823 grammes. Nous connaissons aussi la quantité d’air nécessaire pour une combustion complète: 12.274 grammes.
Nous supposons que l’air se compose essentiellement d’azote et d’oxygène. La quantité d’azote est donc de 12.274 gr - 2.823 gr = 9.451 gr N2 ou 9,451 kg. La densité de l’azote à 0°C et 1.013 mbar est de 1,25. Nous calculons le volume d’azote:
3.5 Composition des gaz de combustion
3.5.5 Quantité totale de gaz de combustion
Le volume total de gaz de combustion à 0°C et 1.013 mbar est donc de 10,14 Nm3.
3.5.6 Teneur maximale théorique en CO
2La teneur maximale en C02 peut se calculer à l’aide de l’équation suivante:
CO2max = volume C02 x 100 volume gaz secs en Nm3
Le volume de ‘’gaz secs” est le volume total des gaz de combustion, moins le volume de vapeur d’eau.
CO2max = 1,35 x 100 = 15,15%
10,14 - 1,23
La teneur maximale de CO2 à obtenir dépend donc principalement de la teneur en carbone et en hydrogène.
3.5.7 Formation d’oxydes d’azote
Nous partons de l’hypothèse que l’azote présent dans l’air ne prend pas part à la combustion. Or, l’azote présent dans l’air et, en infimes quantités, dans le combustible va se lier à l’oxygène pendant la com-bustion et former ainsi des oxydes d’azote.
L’appellation ‘oxydes d’azote’ est le terme générique qui désigne le dioxyde d’azote (NO2), l’oxyde d’azote (NO), le protoxyde d’azote (N20), etc. Les principaux oxydes d’azote qui se forment lors de la combustion sont le NO2 et le NO, respectivement dans une propor-tion d’environ 5% et 95%. Nous pouvons classer les oxydes d’azote ainsi formés en trois grands mécanismes réactionnels:
Produit de combustion Quantité formée par la combustion de 1 l de gasoil de chauffage
CO2 1,35 Nm3
H2O 1,23 Nm3
SO2 0,001155 Nm3
N2 7,56 Nm3
Total 10,14 Nm3
1. ‘fioul’ NOx
Lors de cette réaction, l’azote présent dans le combustible est par-tiellement oxydé. La formation de ‘fioul’ NOx n’est pas vraiment liée à la température, car le NOx apparaît même à basse température. La formation de ‘fioul’ NOx est très limitée, car l’azote présent dans le combustible n’est pas entièrement converti en NOx.
2. NOx ‘spontané’
Lors de cette réaction, le NOx se forme principalement dans le front de flamme quand il y a excès d’oxygène, même à basse température.
3. NOx ‘thermique’
L’azote présent va se lier aux molécules d’azote à des températures supérieures à 1.200°C. Si la température de la flamme monte encore, la formation de NOx augmentera.
Outre la réduction de l’azote lié au combustible, il y a d’autres élé-ments qui peuvent limiter les émissions d’oxydes d’azote:
• diminuer la température de la flamme;
• limiter autant que possible le temps de séjour des gaz de com-bustion dans le foyer
• maintenir l’excès d’azote dans certaines limites1.
3.5.8 Het dauwpunt
Thomas De Jongh
Le point de rosée de l’eau
Les gaz de combustion se composent d’éléments tels que CO2, N2, SO2, O2, NOx, H2O, etc. L’eau contenue dans les gaz de combustion se présente naturellement sous la forme de vapeur d’eau. Si les gaz de combustion refroidissent trop fortement, cette vapeur d’eau va se condenser. La température à laquelle la vapeur d’eau se fluidifie dans les gaz de fumée s’appelle le point de rosée de l’eau. Le point de rosée de l’eau des gaz de combustion du gasoil dépend essentielle-ment de la teneur en hydrogène et donc de la pression partielle de la vapeur d’eau. Pour le gasoil, la teneur en vapeur d’eau se situe aux environs de 12,5%, ce qui donne un point de rosée de 45°C.
Le point de rosée acide
Le point de rosée acide est encore plus important que le point de rosée de l’eau. Le point de rosée acide est la température des gaz de fumée à laquelle la vapeur de dioxyde de soufre va se condenser.
Quand la température des gaz de combustion tombe en-dessous de ce point, de l’acide sulfurique (H2SO4) peut finir par se dégager.
Le gasoil contient toujours une certaine quantité de soufre. Comme nous l’avons déjà rappelé plus haut, le soufre présent dans le com-bustible va se transformer en dioxyde de soufre pendant la combus-tion suivant la réaccombus-tion:
S + O2 SO2
Le SO2 est un gaz piquant de couleur brune. Etant donné que nous travaillons toujours avec un certain excédent d’air lors de la com-bustion, le dioxyde de soufre va se lier à l’oxygène présent dans cet excédent d’air. La réaction se présente comme suit:
2SO2 + O2 2SO3
Cette réaction s’accomplit à des températures supérieures à 600°C et quand le SO2 reste longtemps dans la chaudière. Des catalyseurs, comme le Fe2O3 (oxyde de fer), par exemple, déclenchent la réaction.
Si, d’un côté, l’excès d’air dilue le SO2, d’un autre côté, il favorise l’oxy-dation du SO2 en SO3. Comme les gaz de combustion contiennent environ 12,5 pour-cent de volume de vapeur d’eau, le SO3 va y réagir.
H2O + SO3 H2SO4 (acide sulfurique)
Cette réaction s’accomplit même à des températures inférieures à 450°C.
Le H2SO4 est un acide puissant qui peut provoquer des formes sé-rieuses de corrosion. Si à cela s’ajoute encore une séparation d’eau, l’acide sulfurique sera dilué, ce qui renforcera encore le phénomène de corrosion.
Nous pouvons donc affirmer que le point de rosée acide dépend de la quantité de SO3 qui s’est formée. Par ailleurs, le SO2 réagit aussi à la vapeur d’eau présente suivant cette formule:
SO2 + H2O H2SO3 (acide sulfureux)
Cet acide sulfureux peut continuer à s’oxyder en H2SO4. La teneur en suie dans les gaz de combustion a son importance, car le SO2 gazeux qui s’est formé va se déposer sur les particules de suie et, de ce fait, réagira plus facilement à la vapeur d’eau présente.
Le point de rosée acide dépend donc des éléments suivants:
• la teneur en soufre du combustible,
• l’excès d’air,
• la quantité de vapeur d’eau,
• le temps de séjour des gaz de combustion dans la chaudière.
Pour éviter la formation de H2SO4 et, par conséquent, abaisser le point de rosée acide, on peut ajouter des additifs (MgO, CaO) au combustible (industrie). Le SO2 réagira alors à l’additif au lieu de pour-suivre son oxydation en SO3.
Il est également très important de ne pas travailler avec un trop grand excès d’air et de limiter ainsi l’excès d’hydrogène et la teneur en vapeur d’eau. Un entretien régulier de la chaudière et de la chemi-née n’est certainement pas un luxe superflu.
3.6.1 L’influence de l’excès d’air sur la teneur en CO
2A la figure 3.2, nous pouvons voir que cet excès d’air est important pour la teneur en CO2 et en CO. En cas de manque d’air ou s’il y a trop peu d’oxygène (O2) pour une combustion complète, il va se former du CO, ce qui entraîne évidemment une perte de CO2 et une perte de rendement.
Une teneur trop faible en CO2 peut avoir deux causes:
• trop peu d’oxygène pour une combustion complète;
• un excès d’air trop important par dilution des gaz de fumée.
Il est donc souhaitable de contrôler l’excès d’oxygène de la combus-tion pour éviter tout risque de formacombus-tion de monoxyde de carbone.
On peut aussi se baser sur une mesure de l’oxygène (mesure O2) pour déterminer la teneur en CO2 à l’aide de la formule suivante:
CO2 = CO2max x (21 - O2) 21
La teneur maximale en CO2 qu’il est possible d’atteindre dans les gaz de combustion est de 15,15% (en fonction de la teneur en carbone du combustible). En pratique, nous n’arrivons jamais à obtenir cette valeur quand nous réglons un brûleur. L’idéal est une valeur de 12,5%.
Toutefois, une teneur de 14%, p.ex., n’est pas inimaginable et est évi-demment bénéfique pour le rendement de la combustion. Mais des problèmes peuvent se poser si la teneur en CO2 est réglée trop haut.
Toutefois, une teneur de 14%, p.ex., n’est pas inimaginable et est évi-demment bénéfique pour le rendement de la combustion. Mais des problèmes peuvent se poser si la teneur en CO2 est réglée trop haut.