Les m´ ecanismes ` a l’´ echelle microscopique : vaporisation et pyrolyse

La v´eg´etation est un milieu poreux compos´e de cellules et de pores. Sa porosit´e εp varie de 0.4 `a 0.7 [10]. Le bois est constitu´e de cellulose (40%), d’h´emicellulose (40%) et de lignine (20%). La cellulose est caract´eris´ee par sa capacit´e `a ne pas ˆetre attaqu´ee par des acides. C’est un polym`ere de masse mol´eculaire importante (environ 106 g par mole) de base C6H10O5. L’h´emicellulose est constitu´ee de polyoses et d’hydrate de carbone. La lignine enfin est la substance qui ne peut pas ˆetre convertie en sucre. Elle a une masse mol´eculaire de 1000 g par mole et pour formule C47H52O16. La composition chimique du bois est la suivante :

50% C, 43% O, 6% H, 0.1% N, 0.4% de cendres [10].

La v´eg´etation contient de l’eau. Cette quantit´e d’eau d´epend des pr´ecipitations des jours ant´erieurs. Son humidit´e Hu est la masse d’eau sur la masse de combustible sec. Sa valeur peut ˆetre obtenue par pes´ee avant et apr`es s´echage. La quantit´e d’eau intervient de mani`ere notable dans le bilan thermique, au niveau de la zone de pr´echauffage en avant du front du feu, car l’´energie n´ecessaire pour vaporiser cette eau est importante. La chaleur de vaporisation de l’eau vaut en effet Lw = 4180 J/kg.

Une partie importante de l’´energie sert `a vaporiser l’eau contenue dans la v´eg´eta-tion. Celle-ci doit ˆetre vaporis´ee afin qu’il puisse y avoir inflammav´eg´eta-tion. La teneur en eau minimale empˆechant d’avoir inflammation d’un v´eg´etal dans les conditions courantes est appel´ee humidit´e d’extinction. Les valeurs mesur´ees de cette humidit´e d’extinction varient de 12%, pour les gramin´ees, jusqu’`a 200%, pour des aiguilles de conif`eres. Pour beaucoup de combustibles morts, celle-ci se situe entre 25 et 40% et pour beaucoup de combustibles vivants entre 120 et 160%.

La vaporisation se produit entre 90 et 110◦C. Nous pouvons consid´erer pour simplifier que l’´evaporation se produit `a une temp´erature constante ´egale `a Tev = 100◦C pendant toute la dur´ee de l’´evaporation. Nous ne tenons alors pas compte de l’eau li´ee en pre-mi`ere approximation. Lorsque la temp´erature du constituant v´eg´etal d´epasse 110◦C, nous consid´erons que celui-ci est sec. La temp´erature de ce constituant v´eg´etal augmente alors rapidement et le m´ecanisme de pyrolyse apparaˆıt alors vers 300◦C. Nous pouvons donc consid´erer que ces deux ph´enom`enes sont dissoci´es.

Lorsqu’il est fortement chauff´e, le bois en vase clos se d´ecompose. Il apparaˆıt des gou-drons, des liquides et des gaz inflammables (flamme ´eclairante). Pendant cette op´eration, le bois a noirci ; il est devenu moins dense et s’est transform´e en charbon de bois. Il a subit une pyrolyse (cf. figure 1.17). La pyrolyse du bois sous l’action d’un flux de

cha-Fig. 1.17 – Pyrolyse du bois

leur est r´egie par deux ensembles de r´eactions dites respectivement r´eactions primaires et secondaires [10] qui sont repr´esent´ees sch´ematiquement au tableau 1.4 :

R´eactions primaires R´eactions secondaires        Bois ^k1 −→ Fuel Bois ^k2 −→ Charbon Bois ^k3 −→ Goudron    Goudron ^k4 −→ Charbons Goudron ^k5 −→ Fuel Tab.1.4 – R´eactions et cin´etiques de pyrolyse

Les esp`eces bois et charbon sont solides alors que les esp`eces goudron et fuel sont fluides. Le charbon est le r´esidu solide de la pyrolyse du bois. Le goudron est un compos´e carbon´e lourd qui est gazeux dans la zone de pyrolyse o`u les temp´eratures peuvent ˆetre importantes et liquide `a temp´erature ambiante.

1.3. M´ecanismes de la propagation La pyrolyse est une d´egradation thermique du bois sous l’action de la chaleur. C’est une r´eaction chimique qui peut s’´ecrire globalement :

Solide → Gaz combustibles + R´esidu solide.

Le d´ebut de la pyrolyse se produit lorsque le combustible atteint une temp´erature de l’ordre de 300◦C. Le combustible est alors totalement sec. Des enregistrements de la perte de masse en fonction de la temp´erature peuvent ˆetre r´ealis´es sur des ´echantillons de combustible expos´es `a un certain flux de chaleur. La r´eaction de pyrolysation poss`ede une chaleur de r´eaction par masse de combustible ∆Hp qui peut ˆetre mesur´ee. Cette ´energie varie de 370 (r´eaction endothermique) `a -1700 J/g de combustible selon les situations exp´erimentales. D’apr`es Lee10, nous distinguons deux cas :

Pour T_s > 320◦C, ∆Hp = −160 `a −240 J/g avec une contribution `a hauteur de 65% pour la lignine et de 35% pour la cellulose. ∆Hp est alors faible et environ constant.

Par contre pour Ts < 320◦C, ∆Hp d´epend beaucoup des conditions exp´erimentales et peut atteindre -1600J/g. L’origine de cette diff´erence est due `a la pr´esence de r´eactions secondaires qui ont lieu dans le bois pour Ts< 320◦C car le mouvement des gaz de pyrolyse n’est pas libre, les fissures qui apparaissent lors de la pyrolyse n’´etant pas encore de taille importante. Notons que le cas d’une r´eaction endothermique de valeur ∆Hp = +370 J/g est obtenue pour la d´egradation de cellulose pure en laboratoire.

L’influence de l’ajout de produits dans la v´eg´etation sur la courbe de pyrolyse (figure 1.18 [10]) est importante `a prendre en compte, car ce proc´ed´e est utilis´e par les pompiers pour diminuer la vitesse d’avance du feu. Le produit rajout´e se nomme retardants. Son ajout a pour cons´equence que la pyrolyse se produit pour une temp´erature plus basse qu’en son absence donc plus tˆot mais la pyrolyse poss`ede alors une ´energie d’activation Ep plus faible. La r´eaction de pyrolyse est alors moins brutale ce qui conduit finalement `a une vitesse de propagation plus faible du feu d’o`u son nom de retardant. La description

Fig. 1.18 – Courbes de pyrolyse avec et sans retardant

plus pr´ecise de l’action du retardant doit ˆetre r´ealis´ee `a cette ´echelle microscopique afin de confirmer la description m´esoscopique ci-dessus du rˆole du retardant. Comme le d´ebut

de pyrolyse est toujours sup´erieur `a 150◦C, les zones de vaporisation et de pyrolyse sont d´ecoupl´ees.

Des retardants courants sont (le DAP et le MAP) sont des composants phosphat´es. Ce sont ´egalement des fertilisants. Pour du bois, le feu devient couvant, c’est-`a-dire sans flamme ´eclairante (vive), pour une temp´erature inf´erieure `a 270◦C et ne se propage pas vite alors que pour une temp´erature sup´erieure `a 340◦C des flammes apparaissent ce qui conduit `a une propagation rapide du feu.

Les m´ecanismes chimiques associ´es sont diff´erents. Pour une combustion couvante, la pyrolyse conduit `a beaucoup de r´esidus, du CO<sub>2</sub>, de la vapeur d’eau et peu de gaz combustibles alors qu’un feu avec flammes vives conduit `a peu de r´esidus de pyrolyse et `a beaucoup de gaz combustibles. Les diff´erents m´ecanismes chimiques de la pyrolyse ne sont cependant pas bien connus.