Combustion et combustibles

Présenté par : Pr. Imariouane Mohamed

1 Chapitre I : Notions sur la combustion et les combustibles

2 Chapitre II: Combustion Théorique

3 Chapitre III: Combustion Pratique

 Chapitre I :
Notions sur la combustion et les
combustibles
 I.1 INTRODUCTION:

La combustion est la plus importante des sources industrielles de

chaleur et d'énergie interne (foyers de chaudières, fours industriels,
moteur à combustion interne, turbines à gaz, fusées etc..). Elle
représente 75 à 80 % de l’énergie produite au monde

On désigne en général sous le nom de combustion une réaction chimique

qui s'effectue entre deux corps avec dégagement de chaleur et de
phénomènes lumineux.

Combustible + Comburant Produits de combustion + Chaleur

(carburant) (oxydant)
Gaz,fioul,Charbon Air, O2 CO2,H2O,N2,
 La combustion désigne une réaction chimique au cours de laquelle
il y a oxydation complète ou partielle d’un corps. Les réactions
d’oxydation sont en général, exothermiques, le terme « combustion »
s’applique aux cas où la réaction est suffisamment rapide pour qu’elle
se matérialise par une flamme, des étincelles, etc.…
 I.1.1 Combustion vive
Elle s'accompagne avec une forte élévation de température (elle
se fait avec un gros dégagement de chaleur en raison de la vitesse
élevée de la réaction).
Exemple :
C2H2(g) + 5/2 O2(g) 2CO2(g) + H2O + 1260 kj

I.1.2 Combustion lente

Il ne se produit pas d'élévation de température sensible. La
combustion se fait sans flamme ni incandescence (elle dégage peu de
chaleur en raison de la vitesse peu élevée).
Exemple :
4Fe(s) + 3O2 2F2O3(s) + 105 kj
 Un corps ne peut entrer en combustion que s'il a été
préalablement porté au dessus d'une température minimale dite
température d'inflammation.

Combustibles T°C/Inflammation Combustibles T°C/Inflammation

Hydrogène 550 Carbone 700

Oxyde de carbone 300 Charbon de terre 325

Méthane 650 Charbon de bois 360

Gaz de four à Coke 800 Coke 700

Hydrocarbures lourds 600 à 800 Tourbe 225

Température d'Inflammation de quelques

combustibles usuels gazeux, liquides ou solides.
Ce sont les gaz combustibles qui brûlent le plus facilement.
Les combustibles liquides (ainsi que les combustibles solides) doivent
être d'abord amenés dans un état finement pulvérisés, ce qui
augmente leur surface de contact avec l'oxygène avant d'être
introduit dans une chambre portée à température suffisamment
élevée où la combustion se développe.
Les corps combustibles industriels contiennent toujours le carbone, presque
toujours de l'hydrogène, et plus exceptionnellement du soufre. Ils peuvent
également renfermer d'autres éléments ou composés chimiques (oxygène,
azote, eau etc..), ainsi que des matières minérales non combustibles (qui se
retrouvent dans les cendres), mais qui n'entrent pas directement en jeu dans
les réactions chimiques de combustion.

Le comburant usuel est, le plus souvent, le dioxygène contenu dans l’air mais
pas toujours !. Les bilans chimiques ci-dessous, sont des bilans de
combustion, le comburant est mis entre crochets dans chaque cas:
 CH4(g) + 2[O2(g)] CO2(g) + 2H20(g)
3[Cl2(g)] + 2 Fe(s) 2FeCl3(s)
2Mg(s) + [C02(g)] 2MgO(s) + C(s)

I.1.3 Réactions de combustion

Ces réactions sont régies par les équations suivantes, dites
équations de combustion.
C + O2 CO2 + 97.6 kcal (1)
H2+ O2 H2O + 69.0 kcal (2)
S + O2 SO2 + 69.2 kcal (3)
Les quantités de chaleur qui figurent aux seconds membres de
ces équations sont les chaleurs de combustion; elles se rapportent à
la quantité indiquée du corps combustibles (une mole). Elles ont été
fournies par mesure. En fait, la combustion du carbone C, peut
s'effectuer en deux phases: il y a d'abord formation d'oxyde de
carbone CO conformément à l'équation:
C + O2  CO + 29.4 kcal (4)
puis l'oxyde de carbone CO brûle à son tour en donnant naissance à de
l'anhydride carbonique CO2 conformément à l'équation:
CO + O2  CO2 + 68.2 kcal (5)

L'équation (4) caractérise une combustion incomplète, et l'équation (1);

qui est la somme des équations (4) et (5), caractérise la combustion
complète.

La température résultant de la combustion dépend de la composition

chimique du combustible, de la quantité d'air amenée, ainsi que des
températures respectives de l'air et du combustible au moment de la
combustion. Elle est d'autant plus élevée que le combustible renferme
une plus grande proportion d'éléments eux-mêmes combustibles (C, H
et S) et que la quantité d'air amenée se rapproche davantage de la
quantité théorique.
I.2 COMBUSTIBLES
I.2.1 Définition
Un combustible est une substance (solide, liquide ou gazeuse) qui
peut se combiner facilement avec l’oxygène selon une réaction
chimique. Cette combinaison, dite combustion, se manifeste
généralement par les flammes ou l’incandescence des corps qui
brûlent et s’accompagne d’un important dégagement de chaleur. Dans
la pratique, l’oxygène utilisé dans la combustion provient de l’air.
Les combustibles utilisés dans l'industrie
a) Combustibles Solides:
Les différents types de charbons, Coke, Tourbe, Bois.
b) Combustibles liquides:
Mis à part les combustibles liquides utilisés dans les moteurs
(fiouls et gasoil), l'industrie n'emploi guère, pour le chauffage des
chaudières et des fours, que des huiles minérales provenant de la
distillation:
 - du mazout;
- des goudrons de houille;
- de certains schistes bitumineux.
c) Combustibles Gazeux:
Les principaux combustibles utilisés dans l'industrie sont:
- Le gaz de fours à Coke, de composition similaire à celle du gaz
de ville, et qui provient de la pyrogénation en vase clos de la houille
dans le four à coke.
- Le gaz de gazogène, obtenu par combustion incomplète d'un
combustible solide (anthracite) dans les foyers spéciaux appelés
gazogène.
- Le gaz de haut fourneau, qui se forme dans les hauts
fourneaux producteur de fontes.
- Le gaz naturel, constitué essentiellement d'hydrocarbures
légers parmi lesquels du méthane CH4.
- Le gaz de cracking, provenant de la décomposition par la
chaleur des hydrocarbures à longues chaîne et qui sont constitués de
butane et de propane.
I.2.2 Composition des combustibles

La composition chimique est une caractéristique importante d’un

combustible (elle en définit sa nature). Elle est représentée par les
proportions de ses divers constituants (éléments ou composition
chimiques) contenues dans une quantité déterminée du combustible,
et exprimées soit en masses par unité de masse de combustible, pour
les combustibles solides ou liquides, soit en volumes par unité de
volume du combustible, pour les combustibles gazeux.

Unités: de masse le kg et de volume le m3N (le mètre cube Normal),

qui représente la quantité de gaz qui remplit 1m3 lorsque les
conditions de pression et de température sont normales (i.e. 1 bar et
0°C).
 La composition générale des combustibles courants est donnée
ci-dessous. On y distingue les combustibles suivants accompagnés de
leurs compositions générales.

Constituants Solide Liquide Gaz, Hydrocarbures

C, H2O, Cendres C ; H2 : S Mélanges CnHm, N2 , CO2

Combustibles Charbons FOD Gaz naturels, Butane et

Courants Anthracites, Bois Fiouls lourds n°1 et 2 Propane commerciaux, Air
propané

Pour les combustibles liquides (il s’agit des % en masse) :

C% S% H% O% N%
Fioul domestiques (FOD 84,3 0,5 12,4 2 0,8
Fioul lourds n°1 85 2 11,5 0,7 0,8
Fioul lourds n°2 85 2 11 0,7 0,8
 Pour les combustibles gazeux (il s’agit des % en volume)
LACQ GRONINGUE SAHARA, LE HAVRE MER DU NORD URSS
CH4% 97,3 82,9 87 88,6 92,3
C2H6% 2,1 3,2 9,4 4,6 3,2
C3H8% 0,2 0,6 2,6 1,1 0,8
C4H10 % 0,1 0,2 0,6 0,3 0,2
C5H12 % - 0,1 - 0,1 0,1
CO2% - 1 - 1,4 0,4
N2% 0,3 12 0,4 3,9 3
 (kg/m3) 0,74 0,83 0,82 0,81 0,78
Mass.vol
I.3 COMBURANT
L’oxygène nécessaire à la combustion est amené par un
comburant, celui-ci peut être de l’air atmosphérique ou de l’air
suroxygéné.
La composition moyenne en volume de l’air atmosphérique sec est
la suivante:
Oxygène : 20,8%
Azote : 78,2%
Argon : 0,93%
Hydrogène, Hélium, Néon
Krypton, Xénon, Ozone : traces
Gaz carbonique : 0,03%

Pour les calculs relatifs à la combustion, nous considérons que la

proportion en volume est de 20,8% d’oxygène pour le complément en
azote soit 79,2%
 I.4 PRODUITS DE COMBUSTION
La combustion conduit à la formation de résidus solides et gazeux.
Les résidus solides sont constitués par:
-les cendres que l’on recueille dans les foyers sous forme pulvérulente ou
à l’état de mâchefers.
- le carbone imbrûlé que l’on trouve dans les cendres ou les mâchefers.
-les particules de fine granulométrie qui se trouvent en suspension dans
les fumées et qui constituent les suies.
Les résidus gazeux ou fumées sont constitués de:
Principalement Éventuellement
1. CO2 5. O2
2. SO2 6. CO
3. H2O 7. NOx : NO, NO2
4. N2 8. SO3
9. H2
10. Imbrûlées solides ou gazeux
 La présence et le pourcentage de ces constituants présents dans les
produits de combustion permettent:
a) de définir le type de combustion
b) d’envisager les risques potentiels:
- d’asphyxie pour les personnes
- de corrosion du matériel (chaudières, conduits de fumées)
- de pollutions atmosphériques
c) d’affiner les réglages du brûleur et d’améliorer les rendements

I.4.1 Compléments sur les NOx

Ils ne sont pas pris en compte dans les équations de combustion
classique, et sont à l’origine des pluies acides par formation d’acide
nitrique. Dans les chaudières conventionnelles se dégagent
exclusivement du NO, le NO2 se formant grâce à l’oxygène ambiant en
sortie de cheminée.
On distingue trois mécanismes de formation de NO:
- le NO primaire (prompt Nox) formé par réaction de l’oxygène
libre présent dans l’excès d’air.
- le NO combustible dû à la présence d’azote organique dans le
combustible (fioul et charbons) et à l’oxygène si la température de
combustion dépasse 1000°C.
- le NO thermique est prédominant dans les chaudières gaz et
fiouls, sa formation est liée à la concentration d’oxygène et à la
durée de passage de l’air comburant dans la zone de flamme où la
température dépasse 1200°C (600 ppm à 1600°C).

De nouvelles technologies sur les brûleurs gaz, annihilant

quasiment la flamme (brûleur hémisphérique radiant MATRIX de
VIESMANN), ou les brûleurs à flamme bleue avec vaporisation du
fioul et recirculation des fumées sur la flamme contribuent à une
très forte réduction des NOx.
I.4.2 Teneur en SO2 et en SO3,corrosion sulfurique
Le soufre présent dans un combustible peut se trouver associé
aux matières minérales sous forme de sulfates. Il peut aussi être
présent sous forme de composés organiques et de sulfures qui sont
détruits lors de la combustion. Le soufre se trouve alors entraîné
dans les fumées sous forme de SO2 et SO3.
Certains combustibles comme les fiouls lourds n°2 peuvent
contenir jusqu’à 4% de soufre.
En combustion neutre, ce soufre se retrouve sous forme de SO2.
Avec un excès d’air, il se produit la réaction:
SO2 + ½ O2 SO3
Cette réaction sera favorisée par une augmentation de la
concentration en oxygène donc de l’excès d’air et, comme elle est
exothermique, elle sera plus importante à basse température.
Le rapport: r = [SO3/(SO3 + SO2)]  100 peut atteindre 3 à 4%.
Lorsqu’il y a condensation de vapeur d’eau, SO3 forme avec celui-ci
H2SO4 qui corrode les surfaces métalliques située dans les parties
froides du circuit fumées.

Les moyens mis au point contre la formation de H2SO4 et lutter contre

les corrosions des surfaces à basse température (au dessous de
150°C), utilisent des produits agissant:
- comme anti-catalyseur de la conversion SO2 SO3
- comme neutralisant de H2SO4 dans les circuits d’utilisation
On peut, dans ce domaine:
a)injecter par soufflage dans le foyer des substances solides
finement pulvérisées (< 20 ) comme la magnésie MgO ou la dolomie de
quelques kilogrammes (1 à 5) par tonne de fioul.
b)mélanger au combustible, au moment du remplissage des réservoirs
de stockage, des additifs qui réduisent la conversion de SO2 en SO3
 c) injecter en fin de parcours des gaz, soit dans l’appareil
d’utilisation, soit dans la cheminée, des substances gazeuses comme
le gaz ammoniac. La proportion de gaz doit être déterminée pour ne
former que du sulfate neutre d’ammonium.

I.5 MODES DE COMBUSTION

La combustion est complète si la totalité du combustible est
oxydée. A contrario elle est incomplète s’il y a présence de
combustible dans les fumées.

La combustion est dite stœchiométrique, neutre ou théorique si

l’air comburant est en quantité suffisante et strictement nécessaire
à la combustion complète de l’unité de combustible. Les fumées ne
contiennent pas d’oxygène.
la combustion est oxydante ou en excès d’air si une partie de
l’air comburant est utilisée pour l’oxydation du combustible, l’autre
partie se retrouvant dans les fumées.
 La combustion est dite réductrice ou en défaut d’air si le
volume d’air admis pour la combustion de l’unité de combustible est
inférieur au volume d’air stœchiométrique; l’oxygène y est néanmoins
totalement utilisé donc pas de présence d’O2 dans les fumées, mais il
y a formation de monoxyde de carbone (CO).

I.6 CONDITIONS NÉCESSAIRES À LA COMBUSTION

La combustion n’est pas spontanée; il ne suffit pas de mettre en
contact un combustible industriel avec l’oxygène pour la déclencher.
Il faut, en plus, créer des conditions favorables à l’initiation, au
développement et au maintien de cette combustion.
Nous présentons succinctement dans cette section les trois
conditions essentielles au processus de combustion:
La température du combustible doit être portée et maintenue
à une température suffisamment élevée, supérieure à la
température d’inflammation, pour compléter toutes les réactions
de combustion.
 U n bon mélange entre l’air et le combustible doit être assurer.
La composition du mélange doit être adéquate pour assurer
des conditions favorables de combustion.
L e temps de séjour du mélange, dans la zone de combustion
doit être suffisamment long pour assurer la combustion
complète de combustible.

I.6.1 Température d’inflammation

La température d’inflammation est la température minimale en

dessous de laquelle le combustible ne peut brûler.
Pour initier et maintenir la combustion, il faut donc préalablement
porter le combustible au-dessus de cette température et maintenir
cette condition dans l’enceinte où se produit la combustion.
Combustibles T°C/Inflammation Combustibles T°C/Inflammation
Hydrogène 550 Carbone 700
Oxyde de carbone 300 Charbon de terre 325

Méthane 650 Charbon de bois 360

Gaz de four à Coke 800 Coke 700

Hydrocarbures lourds 600 à 800 Tourbe 225

Température d'Inflammation de quelques

combustibles usuels gazeux, liquides ou solides.
I.6.2 Mélange air-combustible
Il arrive que même avec un excès d’air, une combustion
puisse être incomplète lorsque l’air et le combustible ne sont pas
convenablement mélangés. Il est nécessaire d’avoir un mélange air-
combustible aussi « intime » que possible pour assurer une
combustion complète. Ainsi pour les combustibles liquides, ce mélange
« intime » avec l’air est assuré par une atomisation du combustible en
fines gouttelettes.
la composition du mélange air-combustible est un paramètre
important de la combustion. Il est en effet nécessaire d’avoir des
proportions convenables d’air et de combustible pour assurer une
combustion complète.

I.6.3 Temps de séjour

Après atomisation, les fines gouttelettes du combustible
doivent passer suffisamment de temps dans la zone de combustion
pour rentrer en contact et réagir avec l’oxygène de l’air.
 Ainsi un débit d’air trop fort par exemple, limitera le temps de séjour
de ces gouttelettes qui seront entraînées dans les fumées avant d’avoir
eu le temps de brûler.

7. PHYSICO-CHIMIE DE LA COMBUSTION
1. Nombre de moles - Masse Molaire - Volume Molaire :
Relations Désignations Unités
n : Nombre de moles mol ou kmol
m
n  : m; Masse du corps g ou kg
M
M : Masse molaire du corps g/mol ou kg/kmol
n : Nombre de moles mol ou kmol
n  V:
Vm V:Volume du corps L ou m3
Vm : Volume molaire du corps L/mol ou m3/kmol
A 0°C, sous la pression atmosphérique normale de 101325 Pa, le volume
molaire des gaz est égal à :
Vm = 22.4 litres/mol ou Vm = 22.4 m3/kmol
 I.7.2 Caractéristiques chimiques des composants
Corps Symbole Masse molaire Caractéristiques physiques

Oxygène O2 32g/mol Densité de 1,1 c’est un agent actif de la combustion, qui

est incolore, inodore et sans saveur
Azote N2 28g/mol Densité de 0,97 c’est un gaz neutre inodore, incolore et
sans saveur
Air 28,9g/mol Densité de 1 Air atmosphérique

Hydrogène H 1g/mol Densité de 0,07, il est présent dans tous les combustibles

Carbone C 12g/mol État solide (bois-charbon), état liquide ou gazeux

(hydrocarbures)
Soufre S 32g/mol Densité de 2,85 corps solide de couleur jaune

Gaz carbonique CO2 44g/mol Densité de 1,5 inodore, saveur acide odeur piquante

Monoxyde de CO 28g/mol Densité de 0,97 il est dangereux car toxique; incolore,

carbone inodore et sans saveur
Vapeur d’eau H2O 18g/mol Présence sous forme liquide ou gazeuse
 I.7.3 Équations chimiques élémentaires

Combustion (ou oxydation) du carbone

: C + O2 CO2 + Chaleur [kJ]
[kmol] 1 1 1 + 394.103
[kg] 12 32 44
[m3] --- 22.4 22.4

Combustion (ou oxydation) du soufre

: S + O2 SO2 + Chaleur [kJ]
[kmol] 1 1 1 + 320.103
[kg] 32 32 64
[m3] --- 22.4 22.4

Combustion (ou oxydation) du monoxyde de carbone

: CO + ½ O2 CO2 + Chaleur [kJ]
[kmol] 1 ½ 1 + 284.103
[kg] 28 16 44
[m3] 22.4 11.2 22.4
 Combustion (ou oxydation) de l’hydrogène
: H2 + ½ O2 H2O + Chaleur [kJ]
[kmol] 1 ½ 1 + 288.103
[kg] 2 16 18
[m3] 22.4 11.2 22.4

Combustion (ou oxydation) des hydrocarbures

: CnHm + (n+m/4) O2 nCO2 + (m/2)H2O
[kmol] 1 n+m/4 n + m/2
[kg] 12n+m 32(n+m/4) 44n 9m
[m3] 22.4 22.4(n+m/4) 22.4n 22.4(m/2)
 I.8 POUVOIRS CALORIFIQUES
I.8.1 Définition
On appelle « pouvoir calorifique » la quantité de chaleur dégagée
par la combustion complète d’un kilogramme de combustible solide ou
liquide ou d’un m3de combustible gazeux pris à la température T et à la
pression P.
La chaleur ainsi libérée dépend:
- des conditions particulières dans lesquelles s’effectue la combustion
- de l’état initial du système
- de l’état final du système
Il sera donc nécessaire de préciser:
-le type de combustion réalisée (à pression constante ou à volume
constant)
-la température et la pression du combustible et du comburant avant
la combustion
- la température et la pression des produits de combustion
- l’état physique de l’eau présente dans les produits de combustion: eau
condensée, eau à l’état de vapeur.

Ceci conduit à considérer quatre pouvoirs calorifiques:

le pouvoir calorifique supérieur à pression constante (Pcs)p où l’eau étant
condensée, on récupère sa chaleur latente de vaporisation.
le pouvoir calorifique inférieur à pression constante (Pci)p où l’eau reste sous
forme de vapeur.
le pouvoir calorifique supérieur à volume constant (Pcs)v où l’eau est à l’état
condensée.
le pouvoir calorifique inférieur à volume constant (Pci)v où l’eau se retrouve à
l’état vapeur.

Les pouvoirs calorifiques sont exprimés en kcal/kg ou kj/kg, en kcal/m3 ou

kj/m3.
On sait par ailleurs que :
1 kcal = 4,185 kj
I.8.2 Relation entre le pouvoir calorifique à pression constante et
le pouvoir calorifique à volume constant

Les pouvoirs calorifiques sont déterminés expérimentalement par

calorimétrie. Le combustible et le comburant sont pris à la
température initiale TI et la pression PI. On effectue la combustion à
pression ou à volume constant. On ramène les produits de combustion à
la température initiale (TF = TI) et on détermine la quantité de chaleur
dégagée.

Entre l’état initial (I) et l’état final (F), on peut appliquer le principe de
l’équivalence (1er principe de la thermodynamique); on obtient la
relation: W + Q = UF - UI

Si la combustion est effectuée à volume constant, le travail est nul et

l’on déduit:
- (Pc)V = UF - UI
Ou encore (Pc)V = UI – UF

Si la combustion est effectuée à pression constante, le travail de la

dilatation a pour expression:
W = - P (VF – VI)
On en déduit :
-(Pc)P = (UF + PVF) - (UI + PVI) = HF – HI
(différence d’enthalpie)
Finalement: (Pc)P = HI – HF

La différence entre le pouvoir calorifique à pression constante et le

pouvoir calorifique à volume constant est:

(Pc)P - (Pc)V = ( HI – UI) – (HF – UF) = P (VI – VF)

Application:
Brûlons du carbone pur. La réaction d’oxydation est:
C + O2 CO2
En négligeant le volume de carbone devant le volume du comburant et
le volume des produits de combustion, on en déduit: Vo2 = Vco2, i.e, VI
= VF
Le travail de dilatation est nul et: (Pc)P = (Pc)V

Brûlons du méthane à la pression atmosphérique. La réaction

d’oxydation est: CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O
Si l’eau est à l’état de vapeur, le volume de combustible et du
comburant ( VI) est égal au volume des produits de combustion (VF) et
(Pci)P = (Pci)V

Si l’eau est condensé, la différence entre VI et VF est :

VI – VF = 2  volume de gaz brûlé
Comme le pouvoir calorifique est ramené au m3de gaz brûlé:
VI – VF = 2 m3
La pression atmosphérique = 101325 Pa, on aura:
W = 101325  2 = 202,650 kj = 48,4 kcal
ou encore:
(Pcs)P - (Pcs)V = 48,4 kcal/m3 = 202,65 kj/m3 .

Le (Pcs)P du méthane égale à 9500 kcal/m3.

D’où, généralement on ne fait pas de distinction entre le (Pc)P et le

(Pc)V pour des pressions voisines de la pression atmosphérique
1.8.3 Influence de la température du combustible, du comburant
et des produits de combustion sur le pouvoir calorifique rapporté
à l’unité de masse.

Les pouvoirs calorifiques sont exprimés par rapport à une

température et une pression de référence.
normales : température de 0°C, pression atmosphérique
standard : température de 25°C, pression atmosphérique

Lors de l’expérimentation, le combustible, le comburant et les

produits de combustion sont pris à la température ambiante laquelle
diffère des conditions de référence. Quelle est l’erreur commise ?
Si nous nous référons aux pouvoirs calorifiques déterminés à
pression constante, nous pouvons écrire:
(Pc)0°,P = HI - HF
(Pc)T,P = HI’ - HF’
 On en déduit: (Pc)T,P - (Pc)0°,P = (HI’ - HI) – (HF’ - HF)
Or HI’ - HI =  M Cp T
HF’ - HF =  M’ C’p T
Expressions dans les quelles:
 M Cp = somme des capacités calorifiques à pression constante du
combustible et du comburant
 M’ C’p = somme des capacités calorifiques à pression constante des
produits de combustion
On en déduit:
(Pc)T,P - (Pc)0°,P =  M Cp T -  M’ C’p T
A volume constant, on aurait une expression similaire:
(Pc)T,V - (Pc)0°,V =  M CV T -  M’ C’V T
avec:
 M Cv = somme des capacités calorifiques à volume constant du
combustible et du comburant
 M’ C’V = somme des capacités calorifiques à volume constant des
produits de combustion
 Les applications numériques montrent qu’au voisinage de la température
ambiante, la correction est négligeable.
(Pc)T,P  (Pc)0°,P

1.8.4 Cas des combustibles gazeux

Pour les combustibles gazeux, le pouvoir calorifique est généralement rapporté

à l’unité de volume exprimé dans les conditions normales (0°C, 1atm).
On sait que la masse volumique  est la masse de l’unité de volume. Par
application du paragraphe précédent, on en déduit le pouvoir calorifique
volumique par la relation:

d’où: Pc   Pc 

 ρ T,P  ρ 0,1atm

Pc  Pc    ρ0,1atm

0,1atm T,P  ρ 
 T,P 
 L’application de la loi des gaz parfaits donne directement le pouvoir
calorifique rapporté au volume normal, soit:

Pc   Pc T,P  T  1

0,1atm
273 P
1.8.5 Relation entre le pouvoir calorifique supérieur Pcs et le
pouvoir calorifique inférieur Pci:

Par définition, la différence entre le Pcs et le Pci représente la

chaleur latente de condensation de la vapeur d’eau présente dans les
fumées. Celle-ci provient de l’eau du combustible et de la combustion
de l’hydrogène.

a) Combustibles solides:
Le pouvoir calorifique peut s’exprimer :
- sur combustible pur (supposé sans eau ni cendres)
- sur combustible sec (supposé sans eau)
-sur combustible sec à l’air lorsqu’il est rapporté à la masse de
combustible supposé ne contenir que l’eau de rétention et les cendres
-sur combustible brut lorsqu’il rapporté au combustible réel
(contenant l’eau superficielle, l’eau de rétention, les cendres).

Posons :
E%: teneur globale en eau du combustible (eau superficielle + eau de
rétention)
e%: teneur en eau du combustible sec à l’air (eau de rétention)
K%: teneur en cendres exprimée sur combustible sec
H%: teneur en hydrogène sur combustible brut (on exclut de cette
teneur l’hydrogène contenu dans l’eau et les cendres)
H% (pur): teneur en hydrogène sur combustible pur telle qu’elle
figure dans les divers systèmes de classification.
la relation:
H%  H%(pur)  100  K%  100  E%
100 100
Permet de relier les deux expressions de la teneur en hydrogène.
Par kg de combustible brut, le poids d’eau est:

w  E%  9 H% kg d'eau/kg de combustible brut

100 100
Le deuxième terme de cette expression représente l’eau formée par la
combustion de l’hydrogène. De la relation d’oxydation:
H2 + 1/2 O2  H2 O
On constate en effet que 1 kg d’hydrogène conduit à la formation de 9
kg d’eau.

La chaleur latente de condensation de la vapeur d’eau, pour les pressions

partielles rencontrées dans les fumées, est de 597 kcal/kg d’eau.
On en déduit:


Pcs  Pci  597  E%  9  H%  kcal/kg de combustible
100 100
 exprimé su combustible brut:

Pci  Pcs  597  E%  9  H%
100 100
 kcal/kg de combustible
b) Combustibles liquides
La différence entre le pouvoir calorifique supérieur et le pouvoir
calorifique inférieur est donnée par une relation identique à celle des
combustibles solides. On en déduit:

Pci  Pcs  597  E%  9  H%
100 100
kcal/kg de combustible
c) Combustibles gazeux
L’eau présente dans les fumées provient de la vapeur d’eau que
contient le combustible gazeux ainsi que de l’eau formée par
combustion de l’hydrogène et des hydrocarbures.
Les teneurs: E%/100, H%/100, (CnHm%/100) seront
exprimées par rapport au volume de gaz.
 Les équations de combustion s’écrivent:
H2 + 1/2 O2 = H2O
1 vol. 1 vol.
CnHm + (n + m/4) O2 = n CO2 + m/2 H2O
1 vol. m/2 vol.
Le volume de vapeur d’eau contenu dans les fumées est:
VH O  E%  H%   m CnHm% m3 / m3 N de gaz brûlé
100 100 2 100
2

Puisque un volume molaire de vapeur d’eau soit 22,4 litres (ou 22,4 m3)
correspond à une masse molaire de 18 g (ou 18 kg), on en déduit:

w  18 E%  H%   m CnHm%
22,4 100 100 2 100
 kg d'eau/ m3 N de gaz

D’où: 
Pcs  Pci  597  18 E%  H%   m CnHm%
22,4 100 100 2 100

Soit: 
Pci  Pcs  597  18 E%  H%   m CnHm%
22,4 100 100 2 100

Remarques:
-Si le comburant est de l’air humide, l’eau qu’il apporte est supposée
rester à l’état de vapeur et n’intervient pas dans le calcul des
pouvoirs calorifiques inférieur et supérieur.
-L’hypothèse de la condensation totale de la vapeur d’eau faite pour
définir le pouvoir calorifique supérieur n’est pas exactement vérifiée.
Dans la détermination expérimentale du Pcs, les gaz de combustion
ramenés à la température ambiante, sont presque toujours saturés
d’eau. Toutefois, l’erreur est négligeable.

Applications:
a) Soit un charbon flambant secs. Sa composition moyenne sur
combustible pur est:
C%= 82,4%, H%= 5,6%, O%= 10,5%, N%= 1,5%, le Pcs sur pur = 8.150
kcal/kg ou 34.108 kj/kg
Calculer le Pci sur pur.