LES BRÛLEURS À MAZOUT

CHAUFFAGE CENTRAL

MODULE 5. 3A TECHNOL OGIE DE BRÛLEUR LES BRÛLEURS À MA ZOUT LE MA ZOUT : C ARA CTÉRISTIQUES ET ST OCK AGE

Constructiv, Bruxelles, 2014

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D/2014/12.388/04

171112

Chris De Deyne Inge De Saedeleir Gustaaf Flamant René Onkelinx Jacques Rouseu Textes: Chris De Deyne VDAB

CEDICOL

Dessins: Thomas De Jongh CEDICOL

Avec l’aide de: CEDICOL VDAB

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Pour renforcer la réserve de main-d’œuvre qualifiée, Constructiv porte une attention particulière à

l’enseignement et à la formation des jeunes qui choisissent une formation dans le domaine de la construction.

La formation tout au long de la carrière professionnelle demeure une nécessite car les techniques et les matériaux évoluent de manière significative; une plus grande attention sera accordée aux dispositions relatives à la sécurité et aux exigences liées à la « Construction durable ».

Par conséquent, Constructiv, avec le soutien des organisations professionnelles, charge des équipes de rédaction de manuels modulaires de formation. Ces manuels peuvent être complémentaires aux publications du CSTC. Les équipes de rédaction peuvent varier selon le sujet. Les experts sont généralement identifiés auprès des opérateurs de formation et de l’enseignement, des professionnels du secteur en activité ou encore auprès des fabricants, pour être le plus proche possible de la réalité actuelle du milieu professionnel.

Les manuels de Constructiv

Les manuels modulaires ont été développés par Constructiv et ses partenaires comme supports de cours à adapter selon les types de formation et selon les groupes cibles. Les supports didactiques et du contenu supplémentaire sont également disponibles en format téléchargeable sur notre bibliothèque digitale www.buildingyourlearning.be

Robert Vertenueil, Président

TABLE DES MATIÈRES

1 LE PÉTROLE BRUT ET SES DÉRIVÉS

1.1 Le pétrole brut et ses dérivés . . . . 7

1.1.1 L’extraction du pétrole brut . . . . 8

1.1.2 Classification . . . . 8

1.1.3 Raffinage . . . . 9

1.1.4 La distillation . . . . 9

1.1.5 Le craquage . . . . 11

2 LES COMBUSTIBLES LIQUIDES

2.1 Classification . . . . 13

2.1.1 Fuel / Mazout / Gasoil de chauffage . . . .13

2.1.2 Fuel extra . . . .14

2.1.3 Fuel mi-lourd. . . . 14

2.1.4 Fuel lourd . . . .14

2.2 Les méthodes d’analyse . . . . 14

2.2.1 La masse volumique, densité . . . . 14

2.2.2 La densité relative . . . .15

2.2.3 Le point d’éclair - Flash Point . . . . 17

2.2.4 La viscosité cinématique (symbole = v) . . . .18

2.2.5 Le pouvoir calorifique . . . .19

2.2.6 La teneur en soufre . . . . 21

2.2.7 L’eau et les sédiments . . . .21

2.2.8 Le résidu Conradson . . . . 22

2.2.9 L’influence des basses températures sur les combustibles liquides . . . . 22

2.3 La fiche de données de sécurité . . . . 24

3 LA COMBUSTION DU MAZOUT

3.1 Généralités . . . .25

3.2 Composition de l’air pur. . . .26

3.3 Types de combustion . . . .27

3.3.1 La combustion complète . . . . 27

3.3.2 La combustion incomplète . . . . 27

3.3.3 La combustion destructive . . . . 28

3.3.4 La combustion hydroxylative (bruleur à flamme bleue) . . . . 28

3.4 La combustion du gasoil de chauffage . . . .29

3.4.1 La combustion du carbone . . . .29

3.4.2 La combustion de l’hydrogène . . . .30

3.4.3 La combustion du soufre . . . . 31

3.5 Composition des gaz de combustion . . . .33

3.5.1 Quantité de dioxyde de carbone (CO₂). . . . . 33

3.5.2 Quantité d’eau sous forme de vapeur d’eau (H₂O) . . . . 33

3.5.3 Quantité de dioxyde de soufre (SO₂) . . . .33

3.5.4 Quantité d’azote (N₂) . . . . 33

3.5.5 Quantité totale de gaz de combustion . . . .34

3.5.6 Teneur maximale théorique en CO₂ . . . .34

3.5.7 Formation d’oxydes d’azote . . . .34

3.5.8 Le point de rosée . . . . 36

3.6 Le facteur d’air . . . .38

3.6.1 L’influence de l’excès d’air sur la teneur en CO₂ . . . .38

3.7 Le rendement de combustion . . . .40

3.7.1 La formule de Siegert . . . .40

3.7.2 En cas de mesure de la teneur en CO₂ . . . . . 40

3.7.3 En cas de mesure de la teneur en oxygène 40 3.8 La quantité d’air . . . . 41

3.9 Résumé . . . .41

4 LE STOCKAGE DU GASOIL

4.1 Le réservoir et son équipement . . . .43

4.1.1 Les réservoirs inaccessibles. . . . 43

4.1.2 Les réservoirs accessibles . . . . 43

4.1.3 La structure d’un réservoir: Matériau, épaisseur de paroi et revêtement . . . .44

4.1.4 Le trou d’homme . . . .45

4.1.5 L’identification du réservoir . . . . 46

4.2 L’équipement . . . .47

4.2.1 Les canalisations . . . . 47

4.2.2 Les systèmes anti-débordement. . . .49

4.2.3 La détermination du contenu d’un réservoir . . . .51

4.3 L’installation des reservoirs . . . .54

4.3.1 L’installation de réservoirs accessibles . . . .54

4.3.2 L’installation de réservoirs inaccessibles (enterrés ou dans une tranchée remblayée) . . . . 54

5 ANNEXES

1.1 Le pétrole brut et ses dérivés

Huile minérale, pétrole brut et pétrole sont trois dénominations utilisées pour désigner la même matière première. L’huile minérale ou pétrole brut est un liquide de couleur sombre présent dans le sol et qui est extrait à des profondeurs pouvant atteindre les 9.000 m. On parle d’huile minérale quand la matière se trouve encore en sous-sol et de pétrole brut à partir du moment où elle a été extraite.

Le mot ‘pétrole’ vient du latin “petra” (roche) et “oleum” (huile). En effet, le pétrole brut est extrait de couches de roches sédimentaires.

Le pétrole brut est un mélange complexe d’hydrocarbures, c.-à-d.

d’atomes de carbone et d’atomes d’hydrogène et de leurs liaisons avec le soufre, l’azote et l’oxygène. Ces derniers sont toutefois des éléments indésirables présents en quantité limitée.

Le pétrole brut est le résultat d’un processus qui a débuté il y a des centaines de millions d’années. Des résidus animaux et végétaux se sont accumulés en quantités énormes sur le fond des mers il y a environ 300 millions d’années, en même temps que des produits de désagrégation, résultats de l’érosion naturelle à proximité de l’embou- chure des rivières et des eaux dormantes.

Ces dépôts ont été progressivement recouverts d’autres couches de sédiments. L’absence d’oxygène n’a pas permis aux résidus des orga- nismes morts d’aller jusqu’au bout de leur processus de putréfaction ou de décomposition. A la suite de bouleversements géophysiques, les sédiments ont été recouverts de couches de sable et d’argile.

Durant des millions d’années, ces strates ont été soumises à une forte compression, à des températures élevées et à l’action de micro-orga- nismes. C’est ainsi que le pétrole brut est né d’organismes morts.

Le pétrole brut a une composition différente selon son lieu d’extrac- tion, car le processus de transformation ne s’est pas déroulé partout dans les mêmes circonstances.

1. LE PÉTROLE BRUT ET SES DÉRIVÉS

Plate-forme pétrolière

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1.1.1 L’extraction du pétrole brut

La technique du forage en vue de l’extraction de pétrole brut est dérivée de la technique de forage des puits artésiens (Artois, 1126).

Les tours de forage (derricks) utilisées pour la prospection du pétrole brut servent aussi pour son extraction. Différents procédés sont utilisés pour percer la croûte terrestre. Les plus fréquentes sont les techniques du turboforage et du forage rotary. On se sert de trépans de forme différente en fonction de la nature de la roche et du but du forage. On utilise un trépan queue de poisson pour les roches tendres, le tricône pour les roches de moyenne dureté et le trépan à couronne de diamant pour les roches les plus dures. Le forage peut se pratiquer sous un angle et, à l’heure actuelle, on pratique même la technique du forage horizontal.

L’extraction peut se faire sur la terre ferme ou sur le fond marin. Pour l’extraction en mer, on utilise une plateforme de forage qui peut être déplacée au fil du temps.

1.1.2 Classification

Une première subdivision du pétrole brut est opérée sur base de la différence de densité. Cette propriété nous permet de séparer natu- rellement les différents composants: gaz, essence, fractions légères puis fractions lourdes.

On distingue successivement:

• le brut léger (densité de ± 0,800 à 0,830), comme le pétrole de Libye ou de la Mer du Nord, qui donne beaucoup d’essence et de fractions mi-lourdes;

• le brut moyen, qui provient essentiellement du Moyen Orient;

• le brut lourd, d’une densité de plus de 0,890 (fioul lourd d’Ara- bie et du Venezuela), qui donne par distillation atmosphérique jusqu’à 80 % de combustibles résiduels (fiouls lourds).

Du point de vue chimique, le pétrole brut se compose essentielle- ment de structures hydrocarburées. Les hydrocarbures présents dans le pétrole sont subdivisés en plusieurs groupes: les hydrocarbures paraffiniques (hydrocarbures saturés à chaîne ouverte), naphténiques (hydrocarbures à chaîne cyclique), aromatiques (hydrocarbures insaturés à chaîne cyclique) et oléfiniques (hydrocarbures insaturés à chaîne ouverte).

1.1.3 Raffinage

A sa sortie du sol, le pétrole brut est composé de différents éléments et contient des impuretés. Pendant le raffinage, le brut est fractionné en ses différents composants et séparé de ses impuretés.

1.1.4 La distillation

Dans une première phase, les différents éléments, qui ont tous un point d’ébullition différent, sont séparés par distillation. On distingue ici:

• la distillation atmosphérique,

• la distillation sous vide.

La distillation atmosphérique

La distillation atmosphérique est un traitement simple par lequel le flux de pétrole brut est chauffé à environ 370°C, la température à laquelle le pétrole se vaporise.

Ensuite, les vapeurs sont recueillies à différents niveaux dans la tour de distillation. Les fractions lourdes, qui sont restées liquides, se séparent des fractions plus légères, transformées en vapeurs, et retombent vers le fond de la tour de distillation. Les fractions plus légères montent d’un plateau à l’autre. Elles bouillonnent dans le liquide déjà condensé qui est retenu par les plateaux. Les fractions, de plus en plus légères au fur et à mesure qu’elles se rapprochent de la tête de colonne, continuent à monter dans la tour. Dans le même temps, le condensat s’écoule par les ouvertures de chaque plateau et retombe sur un plateau situé plus bas. Comme la température y est plus élevée, les fractions plus légères subsistantes se vaporisent.

A la suite du reflux et de l’écoulement de fluide vers le bas, de nouvelles distillations ont lieu à chaque endroit et permettent une séparation très précise des produits du haut en bas de la tour.

Forage Rotary

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Tour de distillation

Le liquide ainsi obtenu sur certains plateaux répond parfaitement aux caractéristiques souhaitées. Des soutirages sont prévus à ces endroits:

• Le soutirage en tête de colonne contient des produits dont le point d’ébullition est inférieur à 0°C et qui serviront à la produc- tion de gaz et d’essence.

• La première sortie latérale de la colonne est utilisée pour produire du kérosène et des solvants.

• Le deuxième et le troisième flux latéraux produisent des fractions légères et lourdes, qui sont utilisées pour la production de gasoil de chauffage et de carburant diesel.

• Dans le fond de la colonne, il reste un résidu dont le point d’ébul- lition est supérieur à 370°C et qui doit encore subir une distilla- tion sous vide ou craquage.

La distillation sous vide

Les composants du pétrole brut dont le point d’ébullition est supé- rieur à 370° sont envoyés à la distillation sous vide. La pression qui règne dans la tour de distillation est d’environ 60 millibars (= 0,06 bars).

En abaissant la pression, on obtient des points d’ébullition inférieurs à 400°C. La charge lourde qui provient de la distillation atmosphérique poursuit ainsi son processus de distillation.

1.1.5 Le craquage

Le craquage est un traitement où la température et la pression montent suffisamment pour briser les liaisons carbone-carbone et modifier la structure moléculaire des chaînes hydrocarbures. Ce pro- cédé est appliqué sur la charge lourde du fond de la tour de distilla- tion atmosphérique mais aussi et surtout sur les fractions lourdes de la distillation sous vide.

Le craquage thermique

Le craquage thermique s’effectue par fragmentation des hydrocar- bures à haute pression (± 10 bars) dans un four chauffé à 400°C. Dans ces conditions, les grandes molécules craquent.

Bien que ce procédé soit encore très peu employé, nous retrouvons ses principes dans la technique dite de la viscoréduction (visbreaking).

Le craquage catalytique

Le déroulement d’une réaction chimique peut être accéléré par la présence d’un catalyseur, en d’autres termes d’une substance chimique qui favorise la réaction sans se modifier elle-même.

Le craquage de produits pétroliers est considérablement facilité par la présence de certains catalyseurs, ce qui permet d’obtenir d’excel- lents résultats en craquant des fractions lourdes à des températures relativement basses (± 500°C) et à une pression relativement basse (± 2 bars).

Tableau: Résultats obtenus par un raffinage simple (sans craquage) et un rafinage complexe (avec craquage) Raffinage simple

(sans craquage) Raffinage complexe (avec craquage)

GPL 2 % GPL 3 %

Naphte 17 % Naphte 30 %

Kérosène 9 % Kérosène 9 %

Gasoil 26 % Gasoil 28 %

Fioul 46 % Fioul 30 %

(1,5% de souffre)

100 % 100 %

En pratique, les opérations se déroulent comme suit: un flux de fractions lourdes, à l’état gazeux, mélangé à de la vapeur, est envoyé dans une tour (réacteur) où une certaine quantité de catalyseur est présente sous forme poudreuse. Le catalyseur est libéré par la force de soufflage exercée de bas en haut. Il se crée alors un contact intime entre ce catalyseur et les vapeurs hydrocarbures (les réactions de craquage se produisent à la surface du catalyseur).

Pendant la réaction, du carbone se dépose sur le catalyseur dont l’effet diminue. C’est pourquoi le catalyseur est transféré par un tuyau en U vers la seconde tour (régénérateur). De l’air y est soufflé dans le catalyseur, de telle sorte que le carbone se consume tout simplement.

Après quelques minutes, cette combustion se termine et le cata- lyseur régénéré reflue dans le réacteur par un second tuyau en U pour y reprendre son action. L’ensemble du processus se déroule au rythme quasi incroyable de 8 tonnes par minute. Le catalyseur typique se compose de silicium et d’oxyde d’aluminium.

Désulfurer

Après le raffinage, les produits peuvent être désulfurés dans diverses installations de désulfuration où le gaz sulfureux est transformé, dans une installation de récupération de soufre, en soufre pur qui est à nouveau utilisé comme matière première dans l’industrie du caout- chouc, des engrais chimiques ainsi que dans l’industrie chimique et pharmaceutique.

Le fuel et les combustibles liquides en général proviennent d’un mélange de fractions obtenues par distillation, par craquage ou par des procédés de traitement à l’hydrogène et qui sont utilisés pour produire de la chaleur dans les installations de chauffage domes- tiques et industrielles.

Le législateur détermine les caractéristiques de ces combustibles.

Toutes les huiles minérales lourdes utilisées comme combustible doivent être composées d’un mélange d’hydrocarbures qui ne peut pas surdistiller à plus de 65 % lors d’une distillation à 250°C.

Les huiles minérales lourdes commercialisées ont été dotées d’appel- lations et de caractéristiques à respecter.

Il existe plusieurs sortes de fuel, en fonction du raffinage du gaz naturel.

2.1.1 Fuel / Mazout / Gasoil de chauffage

Le nom générique “fuel” est utilisé comme combustible dans des installations de chauffage et dans des moteurs diesel. Le nom ma- zout emprunté au russe (en russe: « мазут »; mazout) est aussi utilisé souvent en Belgique.

Le fuel est un gasoil léger utilisé comme carburant dans les installa- tions de chauffage de bâtiments, moteurs diesel, voitures, camions, tracteurs et navires. Un colorant rouge et du furfural sont ajoutés au fuel destiné au chauffage et aux usages autres que le trafic routier (diesel rouge), pour empêcher que le fuel ne soit utilisé comme car- burant pour voitures (en raison des accises élevées sur le carburant).

En principe, le colorant est facile à enlever mais le furfural reste présent plus longtemps en petites quantités dans le réservoir, ce qui permet de voir si l’on a utilisé le fuel « rouge » comme carburant dans la voiture. Des contrôles sont régulièrement effectués au niveau de l’utilisation de fuel « rouge »; il existe de lourdes amendes en cas d’infractions étant donné qu’il s’agit d’une forme de fraude fiscale.

2. LES COMBUSTIBLES LIQUIDES

2.1 Classification

2.2 Les méthodes d’analyse

2.1.2. Fuel extra

des chaudières à condensation et des chalumeaux à gaz (flamme bleue). Celui-ci est appelé « fuel extra » ou « mazout extra ».

2.1.3. Fuel mi-lourd

Un fuel plus lourd est souvent utilisé pour le chauffage de serres dans l’horticulture forcée, pour des navires, pour de grandes installations de chauffage et pour les techniques de chauffage industrielles. Ce fuel doit être préchauffé.

2.1.4. Fuel lourd

Le fuel lourd est difficile à utiliser car il est épais.

Il doit être stocké à chaud. Les navires utilisent ce fuel.

Il est indispensable de comprendre le sens et l’application pratique des valeurs attribuées aux caractéristiques. Il est aussi utile de retrou- ver la méthode d’analyse normalisée indiquée lorsqu’on analyse les différentes caractéristiques.

2.2.1 La masse volumique, densité

La masse volumique d’un fluide à une température donnée est égale à sa masse divisée par son volume:

ρ = m

v

Elle est exprimée en kilogramme par mètre cube, en kilogramme par litre ou en gramme par millilitre. Elle est généralement indiquée à 15°C pour les produits pétroliers .

La densité joue un rôle important tant pour la facturation au litre d’un produit livré au poids que pour les précautions à prendre pour le stockage et le transport des produits, car leur volume risque d’aug- menter en cas de hausse de la température.

2.2.2 La densité relative

La densité relative (ou simplement la densité) d’un produit à une température Θ1 est le rapport entre la masse d’un volume de ce produit à cette température Θ1 et la masse d’un volume identique d’eau à une température de référence Θ2.

Pour les combustibles liquides, la densité relative est le rapport entre la masse d’un volume de combustible liquide à une température de 15°C et la masse d’un volume identique d’eau distillée à une tempé- rature de4°C (densité 15/4 °C) à une pression atmosphérique nor- male au niveau de la mer (1.013 mbar).

La densité relative permet de déterminer le poids d’un combustible, exprimé en unité de volume. La densité relative d’un combustible liquide est influencée par la température.

La densité relative 15/4°C d’un combustible liquide qui n’a pas cette température au moment du mesurage peut être déterminée à l’aide du tableau ci-dessous.

Correction de base pour le mesurage de la densité

Densité relative Correction de base 1°C d’écart

de température en moins ou en plus

de 0,600 à 0,700 0,00090

de 0,700 à 0,800 0,00080

de 0,800 à 0,840 0,00075

de 0,840 à 0,880 0,00070

de 0,880 à 0,920 0,00065

de 0,920 à 1,000 0,00060

Exemples de corrections:

• Gasoil de 0,845 de densité à 10°C: l’écart de température vers le bas est de 5°C (15° – 10°). La correction de base est de 0,0007.

Le facteur de correction sera égal à 0,0007 x 5 = 0,0035. Etant donné que la température de mesure est inférieure à 15°, nous allons soustraire le facteur de correction et nous obtenons une densité de 0,841 à 15°C (0,845 - 0,0035).

• Gasoil de chauffage de 0,828 de densité à 25°C: l’écart de tem- pérature vers le haut est de 10°C (25° - 15°). La correction de base à utiliser est de 0,00075. Le facteur de correction est égal à 0,00075 x 10 = 0,0075. Etant donné que la température de me- sure est supérieure à 15°C, le facteur de correction est calculé pour la densité à 25°C et nous obtenons une densité de 0,835 à 15°C (0,828 + 0,0075).

La densité du gasoil de chauffage varie en général entre 0,800 et 0,880 à 15°C. Pour les produits dont la température est inférieure à 15°C, la contraction du produit, ou sa perte de volume, peut être calculée comme suit:

• 7,5 litres par degré en moins et par 10.000 litres pour une densité nominale de 0,800 à 0,840 à 15°C;

• 7 litres par degré en moins et par 10.000 litres pour une densité nominale de 0,840 à 0,880 à 15°C

Inversement, nous calculons la dilatation du produit, ou son augmen- tation de volume, comme suit pour les produits dont la température est supérieure à 15°:

• 7,5 litres par degré en plus et par 10.000 litres pour une densité nominale de 0,800 à 0,840 à 15°C;

• 7 litres par degré en plus et par 10.000 litres pour une densité nominale de 0,840 à 0,880 à 15°C.

La densité est la plupart du temps contrôlée à l’aide d’un densimètre.

Cet appareil de mesure fonctionne selon le principe suivant: un corps plongé dans un liquide a le même poids que la quantité de liquide déplacé.

Densimètre a) mazout

b) eau c) thermomètre

CEDICOLWikipedia creative commonswww.artec-test-equipment.com

2.2.3 Le point d’éclair - Flash Point

Le point d’éclair est la température la plus basse à laquelle un produit peut être chauffé et à laquelle les vapeurs dégagées peuvent encore s’enflammer en présence d’une flamme.

Le point d’éclair est déterminé en laboratoire, dans un vase clos (appareil de Pensky-Martens). Le point d’éclair détermine la limite de sécurité pour l’utilisation de combustibles liquides.

Dans la pratique, nous pouvons considérer qu’en-dessous d’une température de 60°C , les combustibles liquides (à l’exception du pétrole lampant) ne présentent en principe aucun danger pendant leur manutention, leur transport et leur stockage.

Lorsque du gasoil est absorbé par des matériaux combustibles (bois, torchons, papier, etc.), il y a vraiment un danger grave d’incendie.

C’est pourquoi les services de l’Inspection du Travail interdisent la présence de matières inflammables dans les lieux de stockage pour combustibles liquides et dans les chaufferies. Par conséquent, les combustibles stockés et les combustibles présents dans les conduites ne peuvent jamais être chauffés à une température supérieure au point d’éclair.

Le classement en produits légèrement inflammables, inflammables et combustibles s’effectue sur base du point d’éclair (voir tableau):

L’appareil de Pensky-Martens

a) Brûleur

b) Combustible liquide

c) Acier

d) Ouverture

e) Veilleuse f ) Thermomètre

Point d’éclair Produit P

Essence VP < 21°C P1

Kérosène 21°C < VP < 55°C P2 Gasoil, diesel 55°C < VP < 100°C P3 Huile de graissage VP > 100°C P4

CEDICOLaliexpress.com

2.2.4 La viscosité cinématique (symbole = ν)

La viscosité cinématique du gasoil de chauffage est sa capacité à être plus ou moins fluide, en d’autres termes sa capacité à offrir plus ou moins de résistance au pompage ou à l’écoulement dans un orifice ou une conduite.

La viscosité cinématique est mesurée en laboratoire à l’aide d’un viscosimètre. Une quantité de gasoil soigneusement déterminée est envoyée dans un tube capillaire (un tube très fin). Le temps néces- saire pour traverser le tube détermine la viscosité cinématique.

Dans le système international d’unités (SI), la viscosité cinématique est exprimée en mm²/s, ce qui correspond à l’ancienne dénomina- tion cSt (Centistokes). Avant l’introduction du système international d’unités, on utilisait encore d’autres unités , comme les degrés Engler, Saybolt, Redwood ou Oswald.

La température joue un rôle important dans le mesurage de la visco- sité. A des températures plus élevées, le gasoil de chauffage devient plus fluide et sa viscosité cinématique diminue. Un gasoil plus froid, par contre, va s’épaissir et sera moins fluide, tandis que sa viscosité cinématique augmente.

La viscosité cinématique du gasoil est très importante pour le brûleur.

Dans un brûleur à pulvérisation, le combustible doit être aussi fluide que possible, car un combustible très fluide se pompe plus facile- ment et permet une meilleure pulvérisation. Une pulvérisation plus fine améliore le mélange de l’air et du gasoil, et favorise de ce fait la combustion. Dans un brûleur à gazéification, par contre, le débit du gasoil diminue au fur et à mesure que la viscosité cinématique augmente.

Certains brûleurs à pulvérisation sont équipés d’un préchauffeur qui réchauffe le gasoil de manière à stabiliser la viscosité cinématique.

Table de conversion des viscosités cinématiques (en annexe)

Graphique de la viscosité en fonction de la température

Thomas De Jongh

2.2.5 Le pouvoir calorifique

Le pouvoir calorique d’un combustible est la quantité d’énergie thermique qui se libère lors de la combustion complète d’un kilo- gramme de combustible liquide ou solide ou d’un mètre cube de gaz. Le pouvoir calorifique est exprimé en kilojoule (kJ) par kilo- gramme ou par mètre cube de combustible.

On distingue deux pouvoirs calorifiques, qui sont déterminés en laboratoire au moyen d’une bombe calorimétrique ou par un calcul basé sur une analyse aanpassenen phase gazeuse.

Le pouvoir calorifique supérieur

Le pouvoir calorifique supérieur d’un combustible est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète de 1 kg de combus- tible; les produits de combustion sont alors ramenés à la température initiale et la vapeur d’eau qui s’est formée pendant la combustion retourne à l’état liquide.

Le pouvoir calorifique inférieur

Le pouvoir calorifique inférieur est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète de 1 kg de combustible; ici, toutefois, la vapeur d’eau qui s’est formée ne se condense pas tandis que les produits de combustion sont ramenés à la température initiale. La chaleur de vaporisation latente n’est donc pas récupérée .

La différence entre la valeur calorifique supérieure et la valeur calo- rifique inférieure d’un combustible est par conséquent la conden- sation de la vapeur d’eau qui s’est formée lors de la combustion. La chaleur de la vapeur d’eau dégagée par la combustion de 1 kg de gasoil est d’environ 814 W/kg ou 2.931 kJ/kg.

Valeurs :

• Le pouvoir calorifique d’un type de combustible reste très constant.

• L’unité du pouvoir calorifique était autrefois la kilocalorie (kcal).

L’unité internationale est désormais le joule (J).

Notez bien que:

• 1 cal = 4,1868 J

• 1 kcal = 4186,81 J = 4,187 kJ

• 1 kJ = 0,238 kcal

• 1 MJ = 1000000 Joule

• 1 W= 1 J/s

• 1 kWh = 3,6 MJ

• 1 kcal/h = 1,163 W

• La perte d’eau latente par évaporation se situe entre 2.500 et 2.930 kilojoules par kilogramme (kJ/kg) de combustible liquide (entre 700 et 814 W/kg), soit environ 6%.

Les pouvoirs calorifiques:

• s’utilisent pour calculer le rendement utile d’une chaudière. Il convient de rappeler ici que, pour le calcul du rendement d’une chaudière, le pouvoir calorifique inférieur ne s’utilise que quand l’eau qui s’était transformée en vapeur d’eau pendant la combus- tion s’échappe avec les gaz de combustion;

• permettent de déterminer le débit de l’injecteur monté sur le brûleur, en fonction de la puissance de l’appareil de chauffage;

• permettent de comparer le prix de l’énergie des différents com- bustibles ;

• permettent de calculer la consommation de combustible pour un bâtiment donné et pour la préparation de l’eau chaude sanitaire.

D’un point de vue pratique, c’est le pouvoir calorifique inférieur qui est le plus important. Dès que de l’eau se forme dans la flamme, par liaison de l’hydrogène présent dans le gasoil et de l’oxygène présent dans l’air, elle est absorbée en chaleur de vaporisation. Cette chaleur ne peut plus être utilisée pour réchauffer le caloporteur (sauf avec les chaudières à condensation, où une partie de cette chaleur de vapori- sation est récupérée).

(*) Pour le gaz naturel, il y a lieu de tenir compte de l’origine, de la pression et de la température de livraison pour déterminer son pouvoir calorifique . Source: ARGB – Cerga

(**) Source: Febupro

Combustible Chaleur de combustion

par kg, litre ou Nm³ Pouvoir calorifique inférieur

par kg, litre ou Nm³

kilocalorie kilojoule kilowattheure kilocalorie kilojoule kilowattheure

Pétrole lampant 11082 kcal/kg 46398 kJ/kg 12,888 kWh/kg 10332 kcal/kg 43260 kJ/kg 12,016 kWh/kg

8900 kcal/l 37262 kJ/l 10,351 kWh/l 8295 kcal/l 34730 kJ/l 9,647 kWh/l Gasoil de chauffage 10900 kcal/kg 45636 kJ/kg 12,677 kWh/kg 10200 kcal/kg 42705 kJ/kg 11,863 kWh/kg

9150 kcal/l 38309 kJ/l 10,641 kWh/l 8550 kcal/l 36000 kJ/l 9,945 kWh/l Gasoil extra – EN 590 10900 kcal/kg 45636 kJ/kg 12,677 kWh/kg 10200 kcal/kg 42705 kJ/kg 11,863 kWh/kg

9150 kcal/l 38309 kJ/l 10,641 kWh/l 8550 kcal/l 36000 kJ/l 9,945 kWh/l

Fioul lourd 10350 kcal/kg 43333 kJ/kg 12,037 kWh/kg 9800 kcal/kg 41022 kJ/kg 11,397 kWh/kg

9729 kcal/l 40733 kJ/l 11,315 kWh/l 9210 kcal/l 38561 kJ/l 10,711 kWh/l

Fioul extra-lourd 10175 kcal/kg 42601 kJ/kg 11,833 kWh/kg 9700 kcal/kg 40604 kJ/kg 11,281 kWh/kg

8852 kcal/l 37061 kJ/l 10,295 kWh/l 8439 kcal/l 35332 kJ/l 9,814 kWh/l

Cokes 7100 kcal/kg 29726 kJ/kg 8,260 kWh/kg 6500 kcal/kg 27214 kJ/kg 7,560 kWh/kg

Anthracite 7800 kcal/kg 32657 kJ/kg 9,071 kWh/kg 7500 kcal/kg 31401 kJ/kg 8,722 kWh/kg

Propane (**) 24174kcal/Nm³ 101200 kJ/Nm³ 28,11 kWh/Nm³ 22360 kcal/Nm³ 93600 kJ/Nm³ 26,00 kWh/ Nm³ Butane (**) 31940 kcal/Nm³ 133700 kJ/Nm³ 37,14 kWh/Nm³ 29532 kcal/Nm³ 123600 kJ/Nm³ 34,34 kWh/ Nm³

Electricité – – - 860 kcal/kWh 3600 kJ/kWh 1 kWh

Gaz naturel L (*) (Slochteren) 8754,8 kcal/Nm³ 32168 kJ/Nm³ 10,18 kWh/Nm³ 7903,4 kcal/Nm³ 33084 kJ/Nm³ 9,19 kWh/Nm³

Gaz naturel H(*) (gaz) 9847 kcal/Nm³ 41220 kJ/Nm³ 11,45 kWh/Nm³ 8892,4 kcal/Nm³ 37224 kJ/Nm³ 10,34 kWh/Nm³

2.2.6 La teneur en soufre

La réglementation relative à la lutte contre la pollution atmosphé- rique est devenue beaucoup plus sévère depuis quelques dizaines d’années en en Belgique comme dans les pays voisins. Le contrôle de l’application de la législation et de l’emploi correct du combustible correct à teneur en soufre conforme dans les installations préconi- sées est donc très important.

Les phénomènes de corrosion qui peuvent survenir dans l’installa- tion sont souvent la conséquence de la teneur en soufre des gaz de fumée combinée à une température défavorable de ces gaz. C’est pourquoi nous devons veiller à ce que la température des gaz de fumée se situe au-dessus du point de rosée acide, sauf pour les chau- derse de condensation.

2.2.7 L’eau et les sédiments

Les combustibles ne peuvent contenir qu’une infime quantité d’eau et quelques traces de sédiments. L’eau peut être présente sous forme dissoute. En cas de baisse de la température, le pouvoir séparateur de l’eau dans le gasoil diminue, les gouttelettes microscopiques s’agglo- mèrent et se séparent du gasoil sous la forme d’eau.

Dans certaines circonstances, les gouttelettes microscopiques peuvent former une émulsion stable avec les sédiments et se précipi- ter dans le fond du réservoir pour y constituer une masse.

Un peu d’eau provient de la condensation de l’humidité de l’air.

Quand la chaudière consomme du gasoil, le volume correspondant est remplacé par de l’air et l’eau va se condenser sur les parois. Les particules en suspension précipitent dans le mazout et finissent par se déposer dans le fond du réservoir. Lors de la livraison suivante, les gouttelettes se détachent des parois et s’accumulent sur le fond du réservoir .

Dès que l’eau atteint le niveau de la conduite d’admission de com- bustible, elle est aspirée et cause des dérangements dans le brûleur mais aussi des dégâts à la pompe du brûleur.

D’après les spécifications légales, le mazout ne peut pas contenir plus de 0,05% d’eau. Cela représente un demi-litre d’eau par mille litres de mazout . Ces normes s’appliquent à la livraison de gasoil.

Mais la plus grande partie de l’eau et des sédiments proviennent de l’eau qui s’infiltre dans les réservoirs enterrés peu étanches.

Nous partons de l’hypothèse que l’utilisateur (propriétaire) fait régu- lièrement contrôler son réservoir (règlement VLAREM en Flandre) à controler et le fait nettoyer si nécessaire.

2.2.8 Le résidu Conradson

La détermination du carbone résiduel, obtenu après évaporation et pyrolyse d’un produit pétrolier, donne des informations sur la ten- dance qu’a ce produit à déposer des résidus de carbone sur les brû- leurs et les chambres de combustion. Pour le gasoil, la détermination s’effectue sur la fraction distillée à 90-100°C. Un échantillon d’environ 10 grammes est déposé dans un appareil composé d’une suite de trois creusets emboîtés.

L’échantillon est chauffé à 550°C pendant environ 30 minutes. Les vapeurs qui se dégagent sont brûlées et le produit est pyrolysé. Une fois refroidi, le résidu est pesé.

Le carbone Conradson est exprimé en pourcentage de la masse de l’échantillon initial, qui représente pour sa part 10% du gasoil examiné.

2.2.9 L’influence des basses températures sur les combustibles liquides

• Point de trouble (cloud point)

• Point de filtrabilité (CFPP)

• Point d’écoulement (pour point)

Le point de trouble

Le gasoil devient trouble en refroidissant. La température caracté- ristique à laquelle ce phénomène se produit est appelée point de trouble (cloud point). C’est la température en-dessous de laquelle de minuscules cristaux de paraffine se forment et rendent le gasoil moins transparent. Plus la température descend et moins le gasoil de chauffage est transparent.

Le point de trouble est donc le premier signal d’alarme.

Quand le point de trouble est atteint, le gasoil de chauffage s’écoule en outre plus difficilement du fait de son propre poids (gravité) car sa viscosité (résistance à l’écoulement) est devenue nettement plus forte que dans des circonstances normales .

En pareil cas, si la chaudière à mazout est équipée d’un brûleur à gazéification, le débit au régulateur de niveau diminue également, ce qui influence évidemment la quantité de chaleur émise par la chaudière.

Appareil de mesure du point d’écoulement (di- mensions en millimètre) 1. 1. Thermomètres 2. 2. Bouchon de liège 3. 3. Manchon 4. 4. Tube de verre standardisé 5. 5. Etanchéité 6. 6. Bain de refroidissement 7. 7. Disque

Thomas De Jongh

Le point de filtrabilité (cold filter plugging point - CFPP) Si la température du gasoil continue à descendre, les cristaux de paraffine vont s’agglomérer et former des cristaux de plus en plus gros. On voit apparaître une masse compacte blanchâtre qui res- semble à de la vaseline. A partir du point de filtrabilité, les filtres et les conduites risquent de se boucher et d’empêcher l’écoulement du combustible. La température limite de filtrabilité est alors atteinte . Ce second point, particulièrement critique, indique de manière très correcte les conditions pratiques réelles de fluidité au-dessous desquelles nous ne pouvons pas descendre si nous voulons garantir l’approvisionnement normal en combustible des installations de chauffage.

La température limite de filtrabilité peut être déterminée par une méthode qui détermine à quelle température maximale un volume donné de gasoil cesse de s’écouler en un temps donné dans un ap- pareil de filtration spécifié avec précision.

L’échantillon est placé dans un bain de refroidissement et aspiré dans un filtre en gaze métallique de 15 mm de diamètre et à mailles de 45 microns.

L’opération est répétée à une température qui baisse chaque fois de 1°C jusqu’à ce que le gasoil ne parvienne plus à traverser le filtre. Le point de filtrabilité est la température relevée au moment où com- mence la dernière filtration.

Le point d’écoulement (pour point)

Le point d’écoulement est la température la plus basse à laquelle le combustible s’écoule encore après avoir été refroidi dans des condi- tions spécifiques. Cette température influence le choix du lieu de stockage et détermine la possibilité de pomper le gasoil.

Pour caractériser le point d’écoulement, on verse une quantité don- née de gasoil dans une éprouvette fermée munie d’un thermomètre.

L’éprouvette est placée dans un bain de refroidissement de manière à ce que le combustible refroidisse progressivement. A chaque baisse de 3°C de la température, la surface libre du produit est étudiée en tenant l’éprouvette à l’horizontale. Si plus aucun mouvement n’est détecté dans le produit pendant cinq secondes, c’est que le point d’écoulement est atteint. Le point d’écoulement nominal s’obtient en remontant de 3°C la température relevée en dernier lieu.

La fiche de données de sécurité des produits est en quelque sorte une fiche d’identification du combustible (ou d’un autre produit), sur laquelle figurent toutes les informations nécessaires pour les per- sonnes qui manipulent ou transforment fréquemment le combus- tible, ou pour le personnel médical en cas d’accident.

Elle comprend:

1. l’identification du produit et de la compagnie;

2. la composition et des informations sur les composants du ga- soil: hydrocarbures minéraux;

3. les risques pour la santé et l’environnement;

4. des conseils en cas de contact avec les yeux ou la peau, et en cas d’inhalation ou d’ingestion du produit;

5. les mesures de lutte contre l’incendie;

6. les mesures à prendre en cas de dispersion accidentelle du produit;

7. la manipulation et le stockage;

8. les mesures en vue d’éviter une exposition et la protection indi- viduelle à assurer;

9. les caractéristiques physiques et chimiques;

10. la stabilité et la réactivité;

11. les informations toxicologiques;

12. les informations écologiques;

13. des instructions pour l’élimination;

14. des informations concernant le transport;

15. les informations réglementaires;

16. d’autres informations.

La fiche de données de sécurité, également appelée fiche d’infor- mations de sécurité ou MSDS (Material Safety Data Sheet), s’obtient gratuitement auprès du fournisseur du produit et contient toutes les informations permettant de travailler en toute sécurité avec le produit.

Spécifications du gasoil (en annexe)

2.3 La fiche de données de sécurité

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’oxygène = 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 Types de combustion

1 mol C + 1 mol O₂  1 mol CO₂ + chaleur 12 g C + 32 g O₂  36 g CO₂ + chaleur 1 g C + 2,667 g O₂  3,667 g CO₂ + chaleur

Attention

2 mol H + 1 mol O₂  2 H₂O + chaleur 4 g H₂ + 32 g O₂  36 g H₂O + chaleur 1 g H₂ + 8 g O₂  9 g H₂O + chaleur

Attention

1 mol C + ½ mol O₂  1 mol CO + chaleur 12 g C + 16 g O₂  18 g CO + chaleur 1 g C + 1,334 g O₂  2,334 g CO + chaleur

Attention

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’extérieur. 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 particules 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: C_xH_y.

Pour être en mesure de calculer la quantité de produits de com- bustion en cas de combustion 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

)

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

O)

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

)

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

)

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

La teneur maximale en C02 peut se calculer à l’aide de l’équation suivante:

CO_2max = 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.

CO_2max = 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’ NO_x

Lors de cette réaction, l’azote présent dans le combustible est par- tiellement oxydé. La formation de ‘fioul’ NO_x n’est pas vraiment liée à la température, car le NO_x apparaît même à basse température. La formation de ‘fioul’ NO_x est très limitée, car l’azote présent dans le combustible n’est pas entièrement converti en NO_x.

2. NO_x ‘spontané’

Lors de cette réaction, le NO_x se forme principalement dans le front de flamme quand il y a excès d’oxygène, même à basse température.

3. NO_x ‘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 NO_x 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