La composition des gaz de combustion et l'excès d'air sont évalués en combinant l'analyse des gaz avec des bilans de matière et d'éléments autour de l'unité de combustion. Dans une usine pilote, les opérateurs mesurent généralement les concentrations de gaz de combustion secs en CO₂, O₂, CO, SO₂ et N₂ à l'aide d'un appareil d'Orsat ou d'analyseurs de gaz en continu. Ils calculent ensuite le besoin théorique en oxygène à partir de la composition du combustible et le comparent à l'oxygène réellement fourni par l'air de combustion.

Point clé : L'analyse des gaz de combustion indique la quantité d'oxygène restant après la combustion, tandis que les données sur le débit de combustible et d'air établissent le besoin théorique. La comparaison entre l'air réellement fourni et l'air stoechiométrique, vérifiée par la composition mesurée des gaz de combustion, donne le pourcentage d'excès d'air et valide le bilan matière de la combustion.

Établir la base de combustion

Définir la composition du combustible

L'analyse commence par la composition du combustible sec ou tel qu'il est brûlé. Le bilan doit identifier le carbone, l'hydrogène, le soufre, l'oxygène déjà lié dans le combustible, l'humidité, les cendres et tout azote ou autre constituant pertinent.

Pour les combustibles gazeux, la composition peut être exprimée en fractions molaires de méthane, d'éthane, d'hydrogène, de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone et d'autres composants. Pour les combustibles solides ou liquides, l'analyse élémentaire est généralement exprimée en pourcentages massiques de carbone, d'hydrogène, d'oxygène, de soufre, d'azote, de cendres et d'humidité.

Choisir une base cohérente

Un calcul est effectué sur une base définie, telle que 100 kmol de combustible, 100 kg de charbon, ou une période d'exploitation mesurée de l'usine pilote. Toutes les quantités de combustible, d'air, de gaz de combustion et de résidus doivent utiliser la même base.

L'analyse distingue également les gaz de combustion humides, qui incluent la vapeur d'eau, des gaz de combustion secs, dont l'eau a été extraite. La plupart des résultats obtenus par Orsat ou par analyse des gaz de cheminée sont rapportés sur base sèche.

Calculer le besoin théorique en oxygène

Appliquer la stoechiométrie de combustion complète

Le besoin théorique en oxygène est calculé pour une oxydation complète vers les états d'oxydation les plus élevés attendus :

Le carbone est converti en CO₂.
L'hydrogène est converti en H₂O.
Le soufre est converti en SO₂.

Pour un combustible contenant du carbone élémentaire, de l'hydrogène, du soufre et de l'oxygène, l'oxygène net requis est généralement écrit sur une base massique comme suit :

[ n_{O_2,\text{net}}

n_C+\frac{n_H}{4}+n_S-\frac{n_O}{2} ]

Ici, (n_C), (n_H), (n_S) et (n_O) sont les quantités de carbone, d'hydrogène, de soufre et d'oxygène lié au combustible exprimées en unités atomiques cohérentes.

L'oxygène lié au combustible est soustrait car il contribue à l'oxydation. Le besoin théorique est basé sur une combustion complète ; par conséquent, le monoxyde de carbone mesuré ou le combustible imbrûlé ne redéfinit pas le besoin théorique en oxygène.

Convertir le besoin en oxygène en air stoechiométrique

Pour l'air sec ordinaire, l'oxygène représente environ 21 % en volume (ou fraction molaire), l'azote constituant la majeure partie du reste. Par conséquent :

[ n_{\text{air,stoech}}

\frac{n_{O_2,\text{stoech}}}{y_{O_2,\text{air}}} ]

Il est important d'utiliser la composition réelle de l'air appropriée lorsque l'usine pilote utilise de l'air enrichi en oxygène, des gaz de combustion recyclés, de l'air humidifié ou un autre oxydant.

Mesurer la composition des gaz de combustion

Utiliser l'analyseur Orsat ou l'analyse instrumentale

Un analyseur Orsat traditionnel mesure les constituants des gaz de combustion secs en absorbant sélectivement le dioxyde de carbone, l'oxygène et parfois le monoxyde de carbone. L'azote est généralement obtenu par différence :

[ y_{N_2}

1-y_{CO_2}-y_{O_2}-y_{CO}-y_{\text{autre}} ]

Les usines pilotes modernes utilisent souvent des analyseurs en continu basés sur des techniques telles que la mesure paramagnétique de l'oxygène, la mesure infrarouge du dioxyde de carbone et du monoxyde de carbone, ou la mesure ultraviolette du dioxyde de soufre.

Rapporter la base et les conditions d'échantillonnage

Un résultat de gaz de combustion doit préciser si les concentrations sont sur base sèche ou humide, s'il s'agit de fractions volumétriques ou molaires, ainsi que la température et la pression d'échantillonnage. Les lignes d'échantillonnage peuvent nécessiter une filtration, un refroidissement, un contrôle de la condensation et une correction de l'humidité.

Un mauvais échantillonnage peut produire des résultats trompeurs. L'eau condensée, les fuites, la charge en particules, la sensibilité croisée des analyseurs ou un emplacement d'échantillonnage non représentatif peuvent fausser la composition apparente du gaz.

Interpréter les composants majeurs

Le CO₂ indique l'oxydation du carbone et est utile pour vérifier le bilan carbone. Une faible concentration de CO₂ peut résulter d'un excès d'air élevé, d'une combustion incomplète, d'une dilution du combustible ou d'un carbone non représenté dans le gaz échantillonné.

L'O₂ représente l'oxygène restant après les réactions de combustion. C'est l'indicateur de gaz de combustion le plus couramment utilisé pour contrôler l'excès d'air, mais il doit être interprété conjointement avec les mesures de CO et de combustible imbrûlé.

Le CO et les hydrocarbures résiduels indiquent une combustion incomplète. Leur présence peut résulter d'un air insuffisant, d'un mauvais mélange combustible-air, d'un temps de séjour inadéquat, d'une température basse ou d'un fonctionnement instable du brûleur.

Le SO₂ est principalement lié à la conversion du soufre et aide à évaluer les bilans de soufre et le traitement des gaz acides en aval. L'azote provient principalement de l'air de combustion, bien que l'azote lié au combustible et la formation d'oxydes d'azote puissent nécessiter une analyse supplémentaire.

Déterminer le pourcentage d'excès d'air

Le calculer à partir des données de débit d'air

Si l'alimentation en air réelle est mesurée, le pourcentage d'excès d'air est :

[ %\text{ excès d'air}

\frac{n_{\text{air,réel}}-n_{\text{air,stoech}}} {n_{\text{air,stoech}}} \times 100 ]

De manière équivalente, en utilisant l'oxygène fourni par l'air :

[ %\text{ excès d'air}

\frac{n_{O_2,\text{réel}}-n_{O_2,\text{stoech}}} {n_{O_2,\text{stoech}}} \times 100 ]

Le coefficient d'excès d'air est :

[ \lambda

\frac{n_{\text{air,réel}}}{n_{\text{air,stoech}}}

1+\frac{%\text{ excès d'air}}{100} ]

Ainsi, 15 % d'excès d'air correspond à (\lambda=1,15).

L'estimer à partir de l'oxygène des gaz de combustion secs

Pour une combustion complète avec de l'air ordinaire et une quantité négligeable d'oxygène dans le combustible, une approximation courante basée sur l'oxygène des gaz de combustion secs est :

[ %\text{ excès d'air} \approx \frac{y_{O_2,\text{sec}}} {0,21-y_{O_2,\text{sec}}} \times 100 ]

Cette relation suppose que l'oxygène mesuré est le principal indicateur de l'oxydant en excès et que la composition de l'air est connue.

L'approximation devient moins fiable en présence de monoxyde de carbone, de combustible imbrûlé, d'enrichissement en oxygène, de fuites d'air, de recirculation des gaz de combustion ou d'une quantité significative d'oxygène lié au combustible.

Vérification croisée avec un bilan matière complet

La procédure la plus robuste en usine pilote consiste à comparer deux estimations indépendantes :

Calculer l'air théorique à partir de l'analyse élémentaire du combustible.
Calculer l'air réel à partir du débit d'air mesuré.
Analyser les gaz de combustion secs.
Reconstituer le flux de sortie en utilisant les bilans carbone, hydrogène, soufre, oxygène et azote.
Comparer les compositions calculées et mesurées.

La concordance confirme la validité des données d'exploitation. Un écart important peut indiquer une erreur d'analyseur, une infiltration d'air, une composition de combustible inexacte, un résidu solide non mesuré ou une combustion incomplète.

Comprendre les compromis

Trop peu d'air provoque une combustion incomplète

Opérer en dessous du besoin en air stoechiométrique peut produire du CO, de la suie, de la fumée, de l'hydrogène, du méthane ou d'autres hydrocarbures imbrûlés. Cela réduit également la chaleur récupérable car une partie de l'énergie chimique du combustible reste dans les gaz d'échappement ou les résidus.

Des lectures d'oxygène faibles ne prouvent pas à elles seules un fonctionnement efficace. Un gaz de combustion à faible teneur en O₂ accompagné d'un taux de CO élevé peut indiquer un manque d'oxygène ou un mauvais mélange.

Trop d'air réduit l'efficacité thermique

L'excès d'air favorise une combustion complète, mais il augmente également le volume d'azote et d'oxygène inutilisé chauffé par le four. Ces gaz quittent la cheminée et emportent de la chaleur sensible hors du processus.

Un excès d'air peut donc réduire l'efficacité thermique, augmenter les besoins en ventilateurs et en conduits, et diluer les concentrations de polluants. Le point de fonctionnement approprié est le niveau d'excès d'air le plus bas qui maintient une combustion stable et complète tout en satisfaisant aux exigences de sécurité et d'émissions.

Les fuites d'air peuvent corrompre le calcul

L'air entrant par les joints du four, les ports d'inspection, les joints de conduits ou les points d'échantillonnage augmente l'oxygène mesuré dans les gaz de combustion sans nécessairement représenter l'air de combustion fourni au brûleur. Cela peut faire paraître l'excès d'air calculé plus élevé que ce que suggère le réglage du brûleur.

Les bilans des usines pilotes doivent donc, dans la mesure du possible, distinguer l'air de combustion de l'air de dilution incontrôlé.

L'humidité et le point de rosée doivent être pris en compte

L'humidité du combustible et l'eau formée par la combustion de l'hydrogène apparaissent dans les gaz de combustion humides mais sont absentes des résultats Orsat secs. Cette distinction est importante lors de la conversion des concentrations mesurées en débits totaux ou lors de l'exécution d'un bilan d'oxygène.

Les gaz de combustion doivent également rester au-dessus de leur point de rosée (eau ou acide) dans les équipements de récupération de chaleur, à moins que la condensation ne soit gérée intentionnellement. Les combustibles contenant du soufre peuvent créer des condensats acides et des risques de corrosion lorsque les oxydes de soufre et l'eau se condensent ensemble.

Comment appliquer cela à votre usine pilote

La méthode appropriée dépend de l'objectif de l'expérience et de l'instrumentation disponible.

Si votre objectif principal est l'efficacité de la combustion : Mesurez en continu l'O₂, le CO₂ et le CO secs, calculez l'air théorique à partir de la composition du combustible et opérez au minimum d'excès d'air permettant de maintenir le CO et les imbrûlés à un niveau acceptable.
Si votre objectif principal est la vérification du bilan matière : Utilisez une base de combustible fixe, mesurez les débits d'air et de gaz de combustion, analysez le gaz sec et fermez les bilans carbone, hydrogène, soufre, oxygène et azote.
Si votre objectif principal est le contrôle du brûleur ou du four : Utilisez l'O₂ des gaz de combustion comme indicateur de contrôle, mais validez-le par rapport au CO, aux fuites d'air, au débit de combustible et à l'étalonnage périodique de l'analyseur.
Si votre objectif principal est le traitement des émissions ou des gaz d'échappement : Suivez le CO₂, le CO, le SO₂, l'oxygène, l'humidité et les polluants pertinents sur une base sèche ou humide clairement définie avant de dimensionner ou d'évaluer les épurateurs et autres équipements de traitement.

Une évaluation fiable de l'excès d'air nécessite à la fois une mesure précise des gaz de combustion et un bilan de combustion stoechiométriquement cohérent.

Tableau récapitulatif :

Domaine d'évaluation	Méthode clé	Considérations principales
Base de combustible	Analyser carbone, hydrogène, soufre, oxygène, humidité et cendres	Utiliser une base massique ou molaire cohérente
Oxygène théorique	Appliquer la stoechiométrie de combustion complète	Soustraire l'oxygène lié au combustible
Air stoechiométrique	Diviser la demande en oxygène par la fraction d'oxygène de l'air	Ajuster pour l'air enrichi, humidifié ou recyclé
Analyse des gaz de combustion	Mesurer O₂, CO₂, CO, SO₂ et N₂ secs	Préciser la base sèche ou humide et les conditions d'échantillonnage
Excès d'air à partir des débits	Comparer l'air réel avec l'air stoechiométrique	% excès d'air = (air réel - air stoech) / air stoech x 100
Excès d'air à partir de l'O₂	Utiliser la concentration d'oxygène des gaz secs	Approximation : O₂ / (0,21 - O₂) x 100
Vérification du bilan	Réconcilier carbone, hydrogène, soufre, oxygène et azote	Vérifier les fuites, erreurs d'analyseur, humidité et imbrûlés
Compromis d'exploitation	Minimiser l'excès d'air tout en maintenant la combustion complète	Surveiller l'O₂ avec le CO et les hydrocarbures imbrûlés

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