Dossier : L'analyse de combustion sur une chaudière
Partie 1 : La combustion La combustion est un phénomène d'oxydation violente qui se matérialise par des flammes. Pour que le phénomène de combustion se produise, il faut du carburant, de l'oxygène et une certaine température.
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La combustion est un phénomène d'oxydation violente qui se matérialise par des flammes. Pour que le phénomène de combustion se produise, il faut du carburant, de l'oxygène et une certaine température. Le processus de combustion commence par le réchauffement du combustible au-dessus de sa température d'ignition en présence d'oxygène. Sous l'effet de la température, les composés qui constituent le carburant sont séparés. Si la combustion est complète, les éléments de carbone (C), d'hydrogène (H) et de soufre (S) réagissent avec l'oxygène contenu dans l'air pour former respectivement du dioxyde de carbone, CO2, de la vapeur d'eau H2O et de dioxyde de soufre SO2 et dans une moindre mesure, du trioxyde de soufre SO3. S'il n'y a pas assez d'oxygène, si le mélange air carburant est insuffisant ou si les gaz brûlés sont partiellement sous le seuil de la température d'ignition (trop d'air froid ou température des parois froides), la combustion sera incomplète. Dans ce cas les gaz de combustion contiennent encore des composés combustibles comme le monoxyde de carbone (CO), le carbone C (suie) et divers hydrocarbones CxHy. En dehors des considérations économiques et de rendement, ces composés sont toxiques et nocifs pour l'environnement, des mesures doivent être prises pour prévenir leur émission. De nouvelles réglementations en vigueur limitent désormais les taux de certains gaz toxiques et la tendance et à l'application de ces seuils à des installations de plus en plus petites (mais nombreuses). Pour que la combustion soit complète quelles que soient les variations de température, d'humidité et de pression atmosphérique, il est important de fournir une certaine quantité d'air en excès. La qualité de combustion peut être déterminée par le pourcentage de combustion complète (rendement) et l'excès d'air associé. En général on considère un excès d'air de 5 à 20% comme idéal.
Les paramètres de chaque combustible sont indispensables aux calculs des analyseurs de combustion. Les paramètres de nombreux combustibles courants sont stockés en mémoire dans les analyseurs de combustion. Après sélection d'un combustible, ses paramètres seront utilisés dans tous les calculs de combustion et de rendement. Ces paramètres sont associés aux paramètres généraux de chaque pays afin de refléter les spécificités nationales au regard des sources d'apprivoisement des combustibles. Les gaz naturels sont pour la plupart des assemblages de différentes origines et les performances peuvent varier sensiblement. Les origines des charbons sont très variées et leurs performances respectives aussi. En France on distingue deux types de gaz naturels : GAZ "TYPE B" (ou L) distribués dans le Nord de la France ; Il a un pouvoir calorifique supérieur compris entre 9,5 et 10,5 kWh/m³(n) (Arrêté du 28 Mars 1980). C'est essentiellement le cas du gaz de Groningue (Pays-Bas). Ce gaz se distingue par sa teneur élevée en azote. GAZ "TYPE H" distribués sur le reste du territoire. Il a un pouvoir calorifique supérieur compris entre 10,7 et 12,8 kWh/m³(n) (Arrêté du 28 Mars 1980). Pour la plupart des appareils domestiques, ces deux types de gaz sont interchangeables, certains appareils nécessiteront cependant un réglage. Le tableau suivant présente des paramètres de nombreux combustibles : Certains paramètres ne sont pas toujours utilisés dans certaines version d'appareils mais ils sont stockés pour pouvoir être utilisés si nécessaire en cas dévolution des appareils. Paramètres des carburants stockés en mémoire des analyseurs de combustion.
CO2max C'est la concentration maximale de dioxyde de carbone dans les gaz de combustion. Cette concentration est propre à chaque carburant. Ce paramètre correspond à la concentration de dioxyde de carbone dans les gaz de combustion au point stochiométrique (idéal) avec un excès d'air nul et donc un lambda = 1 A1, B - Ce sont des facteurs utilisés dans la formule empirique de Siegert a - C'est le facteur utilisé pour calculer les pertes causées par une combustion incomplète. On considère : a = 69 pour les combustibles solides a = 52 pour les combustibles liquides a = 32 pour les combustibles gazeux O2ref -C'est l'oxygène de référence - Ce paramètre est utilisé pour calculer les concentrations relatives de certains composés. Cette valeur est selon, la norme allemande DIN, de 11% pour les combustibles solide et 3% pour les combustibles liquides et gazeux. La densité permet de calculer la puissance des chaudières fioul en fonction du gicleur et de la pression. PCI - C'est le Pouvoir Calorifique Inférieur du carburant - Il correspond à l'énergie produite par la complète combustion d'un kilogramme de carburant (ou 1m3 pour le gaz) sans tenir compte de la chaleur latente dans la vapeur d'eau. PCS - C'est le Pouvoir Calorifique Supérieur du carburant - Il correspond à l'énergie produite par la complète combustion d'un kilogramme de carburant (ou 1m3 pour le gaz) en tenant compte de la chaleur latente dans la vapeur d'eau (condensation de la totalité de l'eau).
Lorsque qu'un carburant est brûlé, il reste un certain nombre de composés gazeux appelés gaz chauffants. Dès qu'ils ont fourni leurs calories grâce à la surface absorbante de l'échangeur thermique, ils sont appelés gaz de combustion ou fumées, bien que parfois invisibles. Les différents éléments qui composent les gaz de combustion sont indiqués ci-dessous dans l'ordre de leurs concentrations nominales. Azote (N2) L'azote est un gaz sans couleur, inodore et insipide et il ne prend pas partie dans le processus de combustion. C'est le composant principal de l'air (79 %) et il réduit l'efficacité du processus de combustion puisqu'il est chauffé et soufflé dans le conduit sans fonction réelle pour le processus. Concentration typique dans les gaz de combustion : approximativement 78 à 80 % Dioxyde de carbone (CO2) Le dioxyde de carbone ou gaz carbonique est aussi un gaz sans couleur et inodore on le trouve dans le souffle humain aussi bien que dans tous processus de combustion. Le niveau maximum de dioxyde de carbone autorisé dans des espaces de travail en Europe est de 5000 ppm. Un niveau de dioxyde de carbone de 10 000 ppm réduira la capacité intellectuelle de concentration de 30 %. Les concentrations de plus de 15 % (150000 ppm) causent l'inconscience immédiate. Le CO2 est le gaz responsable de l'effet de serre. Les accords de Kyoto imposent une diminution régulière des émissions de CO2. Tous les combustibles fossiles gênèrent du CO2 toutefois certains combustibles en produisent moins à puissance égale. Ainsi le gaz naturel génère 30% mois de CO2 que le fioul. On s'oriente donc vers une amélioration conséquente des rendements (modernisation du parc de chaudières : chaudières à condensation, réglage des brûleurs) en attendant des solutions de remplacement des énergies carbonées (hydrogènes, pile à combustible. ;), Concentration typique dans les gaz de combustion : Brûleurs gaz : 10 - 12 % Brûleurs fioul : 12 - 14 % Oxygène (O2) C'est, bien entendu le plus important car la combustion ne pourrait pas avoir lieu sans oxygène. L'oxygène contenu dans l'air réagit en partie avec l'hydrogène (H2) contenu dans le carburant et forme de l'eau (H2O). Cette eau sous forme vaporisée, en fonction de la température des gaz de combustion, se condense dans le pot de condensats de l'analyseur de combustion ou reste dans les gaz de combustion. Le reste de l'oxygène consommé réagit avec le carbone contenu dans le carburant pour former du dioxyde de carbone et, malheureusement aussi, un peu de monoxyde de carbone. Ceux-ci s'échappent sous forme de des gaz chauffés par le conduit. Concentration typique dans les gaz de combustion : Brûleurs gaz : 2-3 % Brûleurs fioul : 2 - 6 % Monoxyde de Carbone (CO) C'est un gaz fortement toxique qui est très dangereux car il est sans couleur et inodore. La concentration maximum autorisée dans des lieux de travail est de 50 ppm pendant 8 heures. Concentration typique dans les gaz de combustion : Brûleurs gaz : 10 - 110 ppm Brûleurs fioul : 10 - 160 ppm Oxydes d'azote (NOx) Les oxydes d'azote sont présents dans tous les processus de combustion où des carburants fossiles sont brûlés. Ils proviennent en partie par l'oxydation de l'azote contenu dans l'air, aussi bien que de l'azote organique contenu le carburant. (Le processus nécessite de hautes températures, donc la possibilité de réduire la concentration de NOx consiste à essayer de maintenir la température du brûleur et la température des surfaces métalliques à l'intérieur de la chambre de combustion aussi basses que possible.) L'oxyde nitrique produit s'oxyde dans le temps et se transforme en dioxyde d'azote (NO2). Le dioxyde d'azote est un gaz brun, toxique, hydrosoluble qui peut sérieusement endommager les poumons s'il est inhalé, il est aussi à la sources des pluies acides. Sous l'action des rayonnements solaires Ultra Violet il aide à former de l'ozone. Concentration typique dans les gaz de combustion : Brûleurs gaz : 50 - 70 ppm Brûleurs fioul : 50 - 110 ppm Dioxyde de soufre (SO2) La quantité de SO2 dépend du type et de la qualité du carburant employé (la plupart des fiouls sont désormais désoufrés). C'est un gaz toxique qui contribue à la formation des pluies acides. La concentration maximale autorisée dans les lieux de travail est de 5 ppm. Combiné avec de l'eau, il forme de l' acide sulfureux (H2SO3) et de l'acide sulfurique (H2SO4). Concentration typique dans les gaz de combustion : Brûleurs fioul : 180 - 250 ppm Quand du charbon de mauvaise qualité est utilisée, la concentration en SO2 peut parfois excéder 2000 ppm. Hydrocarbures (CXHY ) Les combustibles comme le méthane (CH4) ou le butane (C4H10) sont présents lors d'une combustion incomplète (manque d'oxygène). Ceux-ci font partie d'une famille chimique techniquement connue comme les alcanes. Concentration typique dans les gaz de combustion : < 60 ppm Suie La suie est un autre signe que la combustion est incomplète. L'opacité est mesuré par comparaison avec une l'échelle de Bacharach (0 - 9). La suie dans les gaz de combustion causera des accumulations sur les parties internes du brûleur et diminuera le rendement des échangeurs au cours du temps.
Les brûleurs gaz Le gaz naturel a fait l'objet d'une promotion assez forte ces dernières années, au détriment des autres combustibles généralement utilisés pour le chauffage domestique. En effet, il combine deux avantages importants : • L'approvisionnement par le réseau facilite les aspects logistiques et garantit un approvisionnement continu sans risque d'interruption. • Le gaz naturel est mis en avant comme étant un gaz propre générant peu de dioxyde de carbone et pratiquement aucun autre polluant. Le gaz naturel est principalement constitué de méthane (CH4) et donc de beaucoup plus d'atomes d'hydrogène que de carbone. Pour cette raison le taux de dioxyde de carbone (CO2) par rapport à l'eau produite par l'hydrogène sous forme de vapeur (H2O) est moindre que celui des autres carburants. Il y a donc moins de dioxyde de carbone produit par unité calorique que pour les autres carburants. Cela pose un problème pour les analyseurs de combustion car les gaz sont hautement saturés en vapeur d'eau pour le gaz, beaucoup plus que pour les autres carburants. Cette vapeur d'eau doit être éliminée pour éviter de la condensation au niveau des capteurs qui risquerait de les endommager. La température élevée nécessaire pour brûler le gaz naturel sans avoir un taux trop important de monoxyde ce carbone a malheureusement un effet pervers. En effet, elle augmente la production de NOX à partie de l'azote contenue dans l'air. C'est devenu un critère important pour ce genre de brûleurs. Les fumées analysées donneront en général une valeur d'environ 10ppm de CO couplée avec une valeur de NOX supérieure à 100ppm. Les autres polluants seront à des niveaux très bas dans la plupart des cas dans la mesure ou les gaz sont nettoyés de leurs impuretés avant d'être distribués. La mesure d'opacité n'est généralement pas nécessaire. Un analyseur de combustion standard comme le NS300 est suffisant pour les brûleurs gaz atmosphériques, car la mesure de l'oxygène n'est pas nécessaire. Pour les chaudières à condensation (brûleur pulsé), le réglage de l'excès d'air est indispensable afin de s'assurer du phénomène de condensation (trop d'excès d'air empêche la condensation). Dans ce cas, un analyseur de combustion comme le NS301 est recommandé. La seule contrainte sera simplement de vider le pot de condensats après chaque mesure.
Les brûleurs fioul Les brûleurs fioul peuvent utiliser plusieurs types de fiouls : du fioul domestique (diesel rouge) jusqu'au fioul lourd qui nécessite un préchauffage avant de pouvoir être brûlé. En général, plus le fioul est léger, plus la combustion est propre. Ce n'est pas uniquement une question de CO et de suie mais aussi d'autres polluants présents comme le dioxyde de soufre. Les composés soufrés et azotés sont plus abondants dans les fiouls lourds, ce qui implique des taux de SO2 et NO plus élevés. Cela nécessite donc d'utiliser un analyseur de combustion équipé d'au moins un capteur de SO2 et un capteur de NO. Les niveaux de condensation seront généralement inférieurs avec les brûleurs fioul qu'avec les brûleurs gaz réduisant ainsi la quantité d'eau dans le pot de condensats. Toutefois le problème de la solubilité des gaz doit, cette fois, être considéré. En effet, SO2 et NO sont hautement solubles dans l'eau et il faut éliminer celle-ci régulièrement pour obtenir une mesure précise. Un brûleur fioul peut souffrir d'une accumulation de suie au niveau de l'échangeur thermique générée par les fumées. Cela peut avoir un effet désastreux sur le rendement, les calories ne pouvant être fournies correctement via l'échangeur. Un simple test d'opacité doit être réalisé dans tous les cas. Ce n'est pas une perte de temps ! Lorsqu'un fioul est propre et exempt de polluant, il n'y a pas de raison pour qu'un brûleur fioul bien réglé soit une source de pollution. Un simple test avec un analyseur de combustion peut confirmer cette situation. La vraie question est le choix de la configuration de l'analyseur (choix des capteurs) et sa bonne utilisation pour éviter de masquer la présence de SO2 et NO en purgeant régulièrement le pot de condensats. Le modèle NS301 est adapté aux fiouls domestiques et dispose d'un capteur de CO et d'oxygène , le modèle NS302 comporte en plus un capteur de NO et le modèle 303/ 304 des capteurs de SO2 et NO ou NO2. Ces derniers modèles sont donc adaptés pour les fiouls lourds. Les brûleurs bas-NOX Les brûleurs bas-NOx font appel principalement à trois types de procédés : • La recirculation des fumées : Elle réduit la concentration en oxygène et la température de la flamme. Très efficace avec les combustibles gazeux. On distingue la recirculation externe et la recirculation interne. La première a pour inconvénient d'appeler une consommation d'électricité supplémentaire : celle des ventilateurs. La seconde, dans laquelle la recirculation est induite par les brûleurs eux-mêmes, supprime ces inconvénients. • L'étagement de l'air : On crée une première zone de combustion en défaut d'air et on apporte l'excès d'air nécessaire en aval. Cette méthode peut s'appliquer au niveau de la chaudière, si la taille du foyer le permet, ou directement au niveau du brûleur, avec un risque de formation de CO si les entrées d'air secondaire sont mal situées. • L'étagement du combustible : A l'inverse de la méthode précédente, on crée une première zone de combustion à fort excès d'air, donc à basse température, suivie d'une zone secondaire riche en combustible où les radicaux hydrocarbonés réduisent le NO formé en N2. Cette méthode est très utilisée avec les combustibles gazeux. Le « reburning » suit le même principe, appliqué à la chaudière. Les brûleurs bas-NOX de première génération utilisaient tous l'une de ces trois solutions. La seconde génération combine généralement trois d'entre elles, et permet d'atteindre des taux de réduction des NOX de 40 à 60%, la limite étant fixée par l'apparition de CO. Une autre solution faisant appel à un brûleur à pré mélange est celle de la combustion catalytique. Son gros avantage est de permettre une combustion stable de mélanges très pauvres en combustible sans rejet d'imbrûlés. Elle allie un faible coût à une très bonne performance environnementale. |
