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EXPLICATIONS
DE L'AFFICHAGE DES ANALYSEURS ECOM
Jean
Marie THOMAS
Didier
RÄÄS
ECOM
- 1996
Depuis plus de 10 ans, ECOM
est spécialisée dans la fabrication de contrôleurs de combustion. Consciente
des grands enjeux de votre métier, elle a faite, sienne la devise “ au
service des hommes et de l'environnement “ et a jeté toute sa technicité, sa
volonté et son expérience dans la bataille. La protection de notre
environnement est le challenge des sociétés industrielles modernes. Dans nos
actes de tous les jours, il est de notre devoir d'éviter toute pollution et
tout gaspillage d'énergie.
Le domaine de la combustion
a inspiré de très nombreux ouvrages professionnels écrits par des
scientifiques, des centres de formation, des constructeurs ou encore par des
auteurs libres... Il serait prétentieux de vouloir résumé, même en quelques
pages un sujet aussi complexe ou chaque paramètre pourrait fournir des dizaines
de pages d'écriture. En l'occurrence, ce phénomène naturel ne saurait être résumé,
dans les quelques lignes qui suivent, que d'une façon globale.
Lorsque votre analyseur
affiche sur son écran des renseignements ou édite par son imprimante un
justificatif, il comporte un certain nombre d'informations : O2, CO, CO2 etc.,
nous allons approcher un à un ces éléments et situer leurs rôles dans la
combustion.
Rappelons-nous que toute
matière est composée d'un nombre considérable d'atomes
(103
types différents), chaque atome comporte de 1 à 7 liaisons lui permettant de
se lier à un autre atome, car seul il ne serait pas stable (exception faite de
quelques-uns dits “ nobles “)
Lorsque deux ou plusieurs
atomes sont liés, de manière stable il forme une molécule celle-ci étant l'élément
de base de toute matière.
Ainsi, un corps simple est
un ensemble de molécules identiques et un corps composé est un amalgame de molécules
différentes.
- Le carbone, symbole C,
constitué d'un atome, il peut se rencontrer dans la nature sous une forme très
pure : le diamant. Combustible de base, il est souvent combiné avec l'hydrogène
(hydrocarbures).
- L'oxygène,(symbole O Z=8
m/a 15999) : l'air que nous respirons en contient pratiquement 20,8 % sous forme
de molécule de deux atomes et s'écrit donc O2, l'atome d'oxygène est instable
lorsqu'il est seul ou comprenant un troisième atome (O3 ou Ozone) c'est l'élément
actif et oxydant de la combustion.
- L'Azote, (symbole N, Z=7,
m/a 14,0067), constitue la plus grande partie de l'air ambiante (78,2 %) sous
forme de molécule de deux liaisons, N2, et se comporte comme l'oxygène, il ne
participe pas à la combustion et apporte quelques inconvénient (chute de
rendement, NOx...).
- L'Hydrogène, (symbole H,
Z=1, m/a 1,008 ) : comme l'Oxygène et l'Azote sa molécule est constituée de
deux atomes (H2) gaz inodore et incolore il est toujours combiné à d'autres
atomes c'est un gaz très énergétique mais plutôt instable, sa combustion
produit de l'eau H2O (H2 + 1/2 O2)
- Le Soufre, (symbole S,
Z=16 m/a 32,064), il se conduit comme le carbone et par les produits de sa
combustion devient un élément indésirable en produisant de l'anhydride
sulfureux S+O2 = SO2, Avec d'excès d'air, à haute température il devient SO3
combiné avec l'humidité des fumées, il se transforme en acide sulfurique (H2O
+ SO3 = H2 SO4).
- Tous les combustibles
classiques.
- L'eau contenue dans les
combustibles mais aussi dans l'air.
- L'air = 20,8 %d'oxygène +
78,2 % d'azote + des gaz rares (à peine 1%) argon, 0,9%, anhydride carbonique
0,03%, néon, hélium, krypton, hydrogène et xénon. Son poids et d'environ 1,3
kg par m3 à 0°C.
L'eau, symbole H2O, composé
d'un atome d'Oxygène est de deux atomes d'Hydrogène.
Le gaz carbonique (ou
dioxyde de carbone), symbole CO2 : constitué d'un atome de carbone (C) lié à
deux atomes d'oxygène (O2).
NO qui s'oxyde rapidement et
qui représente environ 95% des NOx.
NO2 (ou peroxyde d'azote)
environ 5% durée de vie quelques semaines.
N2O (Protoxyde d'azote) en
infime partie, très stable, durée de vie plusieurs siècles.
Le CO (ou Monoxyde de
carbone), un atome de carbone + un d'oxygène.
Les SOx...
- Le MÉTHANE (CH4)principal
constituant des gaz naturels.
- Le Gaz naturel de Lacq, de
Groningue, de la mer du Nord ou de Russie sont de même origine organique que le
pétrole.
- Gaz naturels du Sahara,
ils sont liquéfiés pour leurs transports avant d'être re gazéifiés (FOS,
MONTOIR, Le HAVRE)
- Les Gaz de Pétrole Liquéfiés
(GPL) produit par la distillation du pétrole.
- Le PROPANE, symbole
chimique C3H8 est composé de 3 atomes de Carbone est de 8 atomes d'Hydrogène :
ce gaz entre pour 65 % dans la composition du propane commercial, la molécule
est dite saturée (Cn=H2n+2)
- Le PROPENE (C3H6) compose
à 30% le propane commercial, sa molécule est dite non saturée Cn = H2n).
- Le Grisou, gaz naturel du
charbon.
- Les gaz de digestion ou
bio gaz provenant de la décomposition (Lisier, marais, décharge...)
- Les FOD (fioul domestique)
ou FOL (fioul lourd), sont des produits de la distillation du pétrole.
- L'OCTANE, symbole C8H18
autre produit du pétrole est une essence de traction etc.
- Le charbon, transformation
anaérobique des végétaux.
- Le bois, la paille, la
tourbe......
Nous venons de voir que la
composition de toutes matières est un assemblage de molécules et donc d'atomes
dans des proportions parfois très complexes ainsi l'Octane n'entre qu'en partie
dans la composition du “ SUPER “ de votre voiture
Les combustibles courant
sont des “ assemblages “ et en fonction de la combinaison et de la masse
atomique de chacun de leurs constituants, le taux de CO2 maximum peut être déterminé
par calcul.
A
l'aide de ce taux de CO2 max. nous pourrons élaborer un diagramme de combustion
de la forme d'un triangle rectangle dont la vertical (ordonné) comportera un
point représentant le CO2 maximum, Ce point est appelé “ point
STOECHIOMETRIQUE “.
Sur la ligne horizontale(en
abscisse), un point représentera le maximum d'oxygène dans l'air. La ligne qui
joindra des deux informations suivant une hypoténuse et appelée “ droite de
Combustion complète par excès d'air “ ou droite de GREBEL, elle pourra être
divisée en différents segments gradués en facteur d'air (ou encore en % d'excès
d'air).
Ainsi pour le gaz naturel H
= Haut pouvoir calorifique (Russe, Mer du nord, Lacq...) nous construirons notre
triangle par une droite verticale de 12 divisions (CO2 max. 11,7 à 11,9 %) et
une droite horizontale de 21 divisions (teneur en oxygène de l'air 20,8%).
Une combustion est la réaction
chimique complète ou partielle du carbone et de l'hydrogène des combustibles
usuels par oxydation de l'oxygène.
la combustion vive donne
naissance à une flamme par réaction en chaîne, entretenue d'une manière plus
ou moins limitée par l'apport de combustible ou de comburant.
Cette réaction produit une
combustion exothermique c'est-à-dire : qui dégage de la chaleur, elle produit
du CO2 mais aussi de l'eau ainsi que d'autres composés plus ou moins agressif.
L'oxydation est toute réaction
intervenant entre atomes ou molécules, donneurs d'électrons et les atomes, ou
molécules, accepteurs d'électrons : c'est donc un transfert d'électrons et d'énergie.
La flamme est définie dans l'espace ou s'effectue la plus grande partie de
cette réaction (sensiblement la partie visible) et les gaz de combustion : la
prolongation de cette même réaction.
- Un combustible sous forme
gazeuse (pour les liquides : ils seront pulvérisés ou vaporisés et pour les
solides, ils seront chauffés très fortement pour en extraire les gaz.
- Un comburant en suffisance
: de ou la nécessité de bonnes ventilations pour 10 kW il faudra 10 Nm3 d'air
pour une combustion neutre (pour 500 th, 500 Nm3).
- Combustible et comburant
seront mélangés dans les limites de l'inflammabilité (ex. pour les GN 5 à
14% dans l'air)
- Un point chaud d'amorçage,
arc électrique, matière en ignition, flamme... (environ 350°C pour le FOD,
environ 650°C pour les GN)
- Une vitesse d'écoulement
stable en suffisante (10 à 40 m/s) généralement en régime turbulent.
- La Combustion
STOECHIOMETRIQUE ou neutre, qui est la référence : elle n'est que théorique
(le vœux pieux), toutes les techniques évoluées tentent de s'en approcher.
- Combustion COMPLETE par
EXCES D'AIR ou oxydante, c'est à dire sans imbrûlé, ni solide ni gazeux,
c'est la seule envisageable pour des brûleurs performant, c'est aussi
l'objectif à atteindre dans le domaine du chauffage.
- Combustion INCOMPL"TE
avec EXCES D'AIR (semi-oxydante), ou en DÉFAUT D'AIR (semi-réductrice): Elles
sont à proscrire pour la santé et la sécurité, pouvant tout aussi bien
produire du CO (imbrûlés gazeux), que des suies (imbrûlés solides) chacun étant
préjudiciable à la santé, à la consommation et au respect de
l'environnement.
L'oxygène est nécessaire
pour assurer la totale oxydation du combustible mais dans la pratique il faudra
assurer un mélange comportant une quantité d'air en excédant permettant à
chaque molécule de combustible de réagir avec l'oxygène nécessaire à une
combustion complète.
L'excès d'air est lié à
la construction du ou des systèmes de combustion : induction atmosphérique ou
brûleur soufflé.
Lors d'un réglage de la
combustion, il faut tenir compte des variations de la quantité d'air donc
d'oxygène : modification de la pression atmosphérique, température,
encrassement... mais aussi des modifications du combustible : qualité, débit,
température... Ces paramètres ne manqueront pas d'évoluer durant l'année de
chauffe.
Pour s'assurer que ces dérives
n'auront pas, ou peu de conséquence dans le temps, on admet un excédent d'air
plus ou moins important.
Sur les diagrammes, l'excès
d'air est fréquemment exprimé en facteur d'air.
Le facteur d'air (“ n “
ou Lambda) est égal à 1 au point stœchiométrique.
Par exemple pour une petite
puissance, il sera de 1,2 à 1,25 soit un excès d'air de 20 à 25% (ou encore
“ n “ ou Lambda = 1,2 à 1,25).
Revenons, pour l'exemple, à
la droite de combustion complète du diagramme de gaz naturel : la valeur d'O2
est de 4%, le facteur d'air de 1,20 (20% d'excès d'air), dans ce cas, en
partant de la droite de combustion complète, la correspondance en CO2 sera de
9,5 %.
Pour une combustion neutre
de 10 kW d'énergie, soit 1 m3 de gaz naturel ou un litre de fioul, il faudra 10
m3 d'air et en pratique 12 m3 (10 m3 + 20% d'excès d'air).
La combustion idéale (ou
neutre) d'un m3 de gaz naturel donnera 1 m3 de CO2 + 2 m3 de vapeur d'eau + 8
volume d'azote + un excès d'air + une augmentation de volume due à la température
des gaz de combustion.
On comprend l'importance de
bonnes cheminées et ventilations dans une cuisine comme dans une chaufferie de
plusieurs mégawatts.
Pour des puissances importantes, les technologies des systèmes de
combustion ont Evolué vers :
- Une vitesse régulée
d'injection des comburants et combustibles.
- Une maîtrise de la
proportion de l'air et du gaz.
- le contrôle et correction
automatique de l'excès d'air (1 à 2%)
- La condensation des fumées.
- La saturation en eau de
l'air comburant avec condensation.
- Le mélange de gaz de
combustion avec l'air comburant........
La température de l'air
ambiante évolue suivant les saisons, c'est une énergie gratuite que l'on déduit
de la température des fumées pour calculer le rendement instantané du brûleur
: ainsi avec une température négative (- 5°C par ex.) Ce rendement devrait être
égal à celui pris avec une température positive (de + 20°C par ex.).
Pour une plus grande
stabilité de la combustion et du rendement, on réchauffe, parfois, l'air aspiré
par le brûleur en faisant circulé celle-ci autour du générateur.
Cette perte d'énergie est
particulièrement utile pour les équipements traditionnels : elle est un des
paramètres du calcul de la cheminée (vitesse ascensionnelle et la dépression
nécessaire dans tous les cas pour l'évacuation des gaz de combustion), elle
participe au maintien à l'état gazeux des vapeurs d'eau et autres composants
contenus dans les fumées.
Pour obtenir une meilleure
performance, certaine installation fonctionnant aux gaz naturels (et parfois aux
GPL et au FOD) récupèrent la chaleur latente des gaz de combustion en les
condensant soit à travers des chaudières à condensation ou en intégrant un,
ou plusieurs, échangeurs à la sortie des générateurs dans le circuit des fumées.
(à noter que l'excès d'air
diminue la température des fumées).
Rendement instantané :
Par définition c'est une
grandeur lue et par convention le Rendement de combustion (RC) est exprimé en %
sur P.C.I. (Pouvoir Calorifique Inférieur), dans ce cas l'hydrogène, contenue
dans les gaz de combustion reste en suspension si la température est plus élevée
que le point de rosée : environ 60°C pour du gaz naturel.
Si les gaz de combustion
sont refroidis pour être totalement condensé, le rendement est évalué sur
P.C.S. (Pouvoir Calorifique Supérieur) mais sera exprimé par rapport au P.C.'.
(par exemple 104%) sauf s'il est spécifié comme étant exprimé sur P.C.S.
Pour mémoire : calcul du
rendement par la formule de SIEGERT :
Exemple : Ni CO ni suie. CO2
9%, Tf °C des gaz 200, Ta °C de l'air ambiant 20, f pour GN 0,470 :
Rg = 100 - f (Tf - Ta) Rg
en % = 100 - 0,475 (200 - 20)
------------ ------------
= 90,5%
CO2 9
(f) et le coefficient dépendant
du type de combustible est de l'excès d'air.
Un bon rendement de
combustion est consécutif à
- L'absence d'imbrûlés (ni
CO ni suie)
- Au taux de CO2 le plus élevé
- A la température des gaz
de combustion la plus basse.
RENDEMENT UTILE :
On ajoute aux pertes par les
fumées celle des :
- pertes par balayage à
l'arrêt (porte, façade et chaudière non étanches.
- de la pré ventilation ou
(et) de la post ventilation.
- du rayonnement des générateurs
(sans calorifuge ou jaquette).
RENDEMENT GLOBAL :
Rendement global Instantané
:
Le calcul s'effectue en
divisant l'énergie consommée en combustible par celle produite et mesurée à
la sortie des générateurs.
Rendement global annuel :
Le bilan annuel intégrera,
dans le calcul le rendement global instantané et le besoin en chauffage de
l'installation (degrés jour unifié).
Un analyseur automatique intègre
les paramètres de calcul en fonction du type de combustible sélectionné. Il
mesure, en général:
- le taux d'oxygène et
calcul en conséquence celui de CO2.
- Le taux de CO
- La température des gaz de
combustion et lui soustrait celle de l'air comburant.
- Réalise les différents
calculs.
- Affiche directement les résultats
en % de CO2, CO, O2, rendement, pertes, excès d'air.
- Valeur du point de rosée
Pour être analysés les gaz
de combustion sont asséchés par condensation ou absorption (filtres ou échangeurs
type PELLETIER par ex.). Les mesures des gaz sont affichées en % pour l'O2, le
CO2 et en ppm pour les CO, NOx et SOx.
- Mesure des brûlés
solides (suie) ou des suspensions liquides : éventuellement les réduire voir
les supprimer.
A noter que dans certain cas
le gaz naturel peut produire des suies, et le propane et butane plus sûrement
encore.
- Mesure du CO : si le taux
est trop élevé (+ 300 ppm), à réduire d'urgence.
- Mesure de l'oxygène ou du
CO2
- Mesure de température
d'air comburant (air ambiant ) = Ta
- Mesure de température des
fumées = Tf
- Mesure de la dépression
de la cheminée = Dp
- Mesure de la dépression
ou pression foyer = Pf
- Mesures complémentaires
SO2, NO2............
Calcul rapide : 1 ppm = 2
mg/kWh
- Le CO2 : avec l'effet de
serre...
- Le CO : (Monoxyde de
Carbone), c'est un gaz combustible, détonnant à faible concentration,
particulièrement sournois, toxique et très dangereux par ses effets irréversibles
(Il détruit les cellules nerveuses de façon irrémédiable pouvant être
mortel suivant la concentration et l'activité soutenue durant le temps
d'inhalation.
- Le SO2 (Oxyde de Soufre),
sous forme gazeuse ou H2SO4 sous forme liquide : l'acide sulfurique, le SO2 se
combine avec l'eau (H2O) contenus dans les fumées après condensation.
- Les Poussières : Suies,
minéraux, sédiments : effet de serre etc....
- Les NOx
Produit par les transports
à environ 76% et par la combustion à environ 17,5%....
- NO (Monoxyde d'azote)
s'oxyde rapidement et représente env. 95% des NOx
Les fiouls contiennent à
l'origine de l'oxyde d'azote en suspension, non maîtrisable à la combustion :
chaque livraison nécessite un nouveau réglage du brûleur.
- NO2 (ou peroxyde d'azote)
se forme au contact de l'air, stable sur plusieurs semaines, cause : maladies
pulmonaires, surproduction d'Ozone à basse altitude ; Condensés sont combinés
à l'eau production de pluies acides.
- N2O (ou Protoxyde
d'azote..) Très stables quelques siècles en quantité faible, effet de serre,
destruction de la couche d'ozone à haute altitude.
Leurs quantités augmentent
avec la température de la flamme et du foyer où elle se développe, intervient
également la vitesse de refroidissement.
- O3 l'Ozone dont les effets
nocifs, au niveau du sol, se font sentir vers 110 µ gramme/m3, avertissement de
la population vers 180 µ gramme/m3 et alerte vers 210 µ gramme/m3.
Le total des pollutions
cumulées en COx, SOx, NOx, CnHm et suies ou poussières pour les transports et
d'environ 44 %, pour l'industrie et le chauffage de 43 %, Agricultures et divers
13 %.
Les mesures concernant les
transports ont, dès à présent permis de réduire leurs parts de pollution
(pot catalytique, obligation de contrôle d'antipollution, Diagnostique des véhicules
de plus de 5 ans....)
Rappelons que depuis le 20
Juin 1975, pour les chaufferies supérieures à 100 kW, un minimum de mesures
est obligatoire :
- T° des gaz en sortie de
cheminée (F.O.L.)
- Dépression (chaudière
en...)
- Indice de noircissement
(sauf gaz)
- 02 et CO2 (indicateur..)
- T° des gaz en sortie de générateur
(Indicateur..).
Soyons des “ PRO.
“ Conscients et participons à l'effort pour aider à combattre pollution et gâchis
:
- Par une meilleure maîtrise
de la combustion avec moins de rejets d'imbrûlés (suies, poussières, CO, CO2,
NOx...)
- Par l'utilisation d'énergies
moins polluantes : réduction notables du SO2.
....et un DIAGNOSTIC DES
INSTALLATIONS (Comme pour les véhicules)
Avec pour résultats :
- Une modernisation du parc
d'installations de chauffage :
- La réduction des pertes
inutiles avec de nouvelles chaudières.
- Une régulation plus
performante des installations
- La prise en compte de
toutes les énergies.
- De nouveau système de
combustion comme la réduction des NOx
- Par des économies en
besoin d'énergie (isolation, limitation, récupération...) qui reste le moyen
le plus efficace de moins polluer.
Ainsi en utilisant votre matériel
d'analyse ECOM, de contrôle et de diagnostique, vous contribuez à diminuer la
part de pollution du chauffage.
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