La combustion du gaz naturel

De manière générale la précision des résultats de cette étude sont amplement suffisant pour l’activité du Génie Climatique.

La combustion est une réaction chimique exothermique, le gaz naturel est le combustible alors que l’air est le comburant c’est un mélange d’oxygène 21 % et d’azote 79 % mais l’azote est un gaz inerte qui ne participe pas directement à la réaction chimique de combustion. Lorsque la combustion est en défaut d’air on dit que la combustion est réductrice (les produits de combustion sont alors incomplètement oxydés) – Lorsque la combustion est en excès d’air on dit qu’elle est oxydante.

Dans les paragraphes suivants nous considérons que le gaz naturel se comporte comme du méthane pur. Le principal constituant du gaz naturel est le méthane de formule brute CH4 c’est un hydrocarbure saturé de la forme (Cn H2n+2)  il  appartient à la famille des alcanes sa formule développée est également CH4.

Photo n°1 – Composition du gaz naturel

I- Réaction chimique de la combustion (dans ce cas les fumées sont sèches donc exemptent d’H2O)

II – Analyse de combustion du gaz naturel

Lors d’une combustion réelle dans une installation de chauffage on doit d’abord s’assurer que cette combustion est complète. Etant donné que toute combustion incomplète produit du monoxyde de carbone de formule CO dans les produits de combustion, il suffit de vérifier à l’aide d’un appareil électronique que les fumées n’en contiennent pas il est également possible d’utiliser un réactif chimique sensible au CO (cette méthode n’étant plus guère utilisée).

Photo n° 2 – Analyseur de combustion raccordé à une chaudière murale

Toute analyse de combustion est basée au départ sur une combustion dite théorique, stœchiométrique ou neutre. A partir des résultats obtenu lors de cette analyse « parfaite » on compare la variation des résultats obtenu au cours de l’analyse réelle et l’appareil électronique calcul les nouvelles proportions.

A) Résultats d’analyses lors d’une combustion théorique ou stœchiométrique – Ces calculs sont basés sur des fumées sèches c’est à dire sans H2O.

On observe bien dans cette équation qu’il n’y a pas dans les produits obtenu lors de la réaction de molécules d’H2O car les fumées sont sèches lors de l’analyse.

Photo n° 3 – Présence d’un filtre retenant la vapeur d’eau au niveau de l’analyseur électronique de combustion – Ceci rends les fumées sèches

Photo n°4 – Interprétation des résultats d’analyse

Photo n°5 – Ticket de résultats obtenu lors d’une analyse de combustion d’une chaudière à condensation

Note : Chaudière murale à condensation mixte – Modèle : MC 25 BIC – Marque : De Diétrich.

Il est dit plus haut que :  » Toute analyse de combustion est basée au départ sur une combustion dite théorique, stœchiométrique ou neutre  » – Vérifions si cela est vrai en pratique à partir du ticket des résultats ci-dessus.

a) Résultats de la combustion théorique

– Volume d’air théorique (Va) = 9,6 m³ (O2 + N2)

– Volume fumées théorique (Vf0) = 8,6 m³ (CO2 + N2 + O2)

b) Résultats de la combustion obtenu sur le ticket

– % CO2 calculé = 8,99 %

– % d’O2 mesuré = 5,0 %

A retenir :

– Sachant que la quantité volumique de CO2 représente environ 1,0 m³.

– Sachant que ces 1,0 m³ de CO2 représentent une valeur relative de 11,7% – En effet sur un volume total de fumées de 8,6 m³ les 1 m³ de CO2 représente 11,62 %.

1°- Calculons le % de CO2 à partir du % d’O2 mesuré par l’appareil

– En effet nous posons la formule suivante :

– % CO2 = (%CO2) théorique x [(21 – % O2) / 21)]

– % CO2 = (11,7) x [(21 – 5) / 21)] = 8,91 %

– Le ticket d’analyse nous donne : 8,99 % soit un écart de 0,08 % (en fait l’appareil prends en compte un % CO2 théorique de 11,8 % – Le bureau technique de Gaz de France nous donne dans sa revue Réf. 2.54.B.02.95 de juillet 1996 en page 7 cette valeur de 11,7 %).

2°-  Calculons avec la même formule agencée différemment le % O2 à partir du % CO2

– Nous posons la formule suivante :

– %O2 = [(%CO2 x 21) / %CO2 théorique] – 21

– %O2 = 21 – [(8,99 x 21) / 11,7]  = 4,90 %

– Le ticket d’analyse nous donne 5,0 % soit un écart de 0,1 % ce qui reste tout à fait acceptable – Encore une fois cet écart réside dans le fait que l’appareil possède en mémoire des constantes un peu différentes de celles que je préfère utiliser.

3°- L’excès d’air

Ensuite le ticket de combustion indique « Excès d’air » il est noté (Ea) ne pas confondre avec Facteur d’air noté λ. L’excès d’air (Ea) c’est la quantité d’air restant dans les fumées ou air sortant après la combustion d’1 m³ de gaz naturel. Le facteur d’air (λ) c’est la quantité d’air totale passant par le brûleur ou air entrant. Si facteur d’air (λ) < 1 (100 %) alors Excès d’air (Ea) = 0.

– Excès d’air (Ea) et Facteur d’air (λ) sont directement liés.

– Si λ = 1,31 on peut également dire que Facteur d’air (λ) = 131 % ce qui signifie que l’air stoechiométrique est de 100 % (9,6 m³) et que l’excès d’air (Ea) est de 31 % (2,98 m³). On peut écrire que Facteur d’air (λ) = Air stoechiométrique + Excès d’air.

On peut également noter : Excès d’air (Ea) = [(1,31 – 1) x 100 ] = 31 %. Voir détails et calculs au 4° plus bas.

– L’excès d’air (Ea) corresponds à la quantité d’air résiduelle (O2 + N2) restant dans les fumées après la combustion d’un mètre cube de gaz. Air sortant.

– Le Facteur d’air (λ) corresponds à la quantité d’air totale (air stoechiométrique + supplément d’air) passant par le brûleur. Air entrant.

– Si le Facteur d’air (λ) est inférieur à 1 ou à 100 % à ce moment l’Excès d’air (Ea) est égal à 0. On se trouve en défaut d’air et l’on produit du Monoxyde de Carbone.

– Plus l’excès d’air est élevé et plus le point de rosée diminue c’est à dire que la température de passage des fumées de l’état gazeux à l’état liquide baisse. Concrètement quelques exemples :

– Pour le gaz de type H donc à haut pouvoir calorifique (gaz de Lacq par exemple) :

– Excès d’air = 0% Alors : Point de rosée = 59,2 °C

– Excès d’air = 20 % Alors point de rosée = 55,6 °C

– Excès d’air = 40 % Alors point de rosée = 52,7 °C

Ce qui est important à retenir c’est que plus l’excès d’air est important et plus le point de rosée est bas, plus le rendement diminue donc plus la chaudière consomme de gaz pour produire une même quantité d’énergie en un mot cela coûte plus cher.

En fait ceci réside dans le fait que la chaleur libérée ou consommée au cours d’une réaction dépend de l’état physique des réactifs et des produits. La combustion du méthane libérera moins de chaleur si l’eau formée dans les fumées est à l’état vapeur plutôt qu’à l’état liquide. On peut ainsi noter que :

L’enthalpie de la réaction de combustion du méthane libèrera si l’eau dans les fumées est à l’état liquide (Litre) un ΔH = – 890 kJ

Par contre si l’eau dans les fumées est à l’état vapeur (gramme) l’enthalpie de la réaction libérera un ΔH = – 802 kJ.

Grâce à cela on peut savoir par exemple la quantité d’énergie libérée par 1 mol de méthane pur :

Sachant que : 1 kJ = 2,78.(10 exp-4) kWh

Alors : 890 kJ = (890 x 0,000278) = 0,247 kWh

Sachant que : 1 m cube de méthane (CH4) = 44,64 mol

Alors : 1 m cube de CH4 = (44,64 x 0,247) = 11,03 kWh

Donc 1 m cube de CH4 pur libérera 11,0 kWh (PCS)

Le Recknagel nous donne page 323 – Tome I :

– Brûleur atmosphérique : λ  compris entre 1,25 et 1,50 soit un excès d’air de 25 à 50 %.

– Brûleur à air soufflé : λ compris entre 1,1 et 1,3 soit un excès d’air de 10 à 30 %.

D’où le bien meilleur rendement d’un brûleur air soufflé gaz par rapport aux brûleurs des chaudières atmosphériques.  Il est possible sur les brûleurs à air soufflé de régler l’excès d’air.

Ces valeurs sont à prendre avec précautions et ne sont en aucun cas une fin en soit notre expérience et notre esprit critique doit être en dernier ressort le garant de nos réglages.

4°- Calculons à partir de l’excès d’air la quantité volumique et en valeur relative d’O2 et de N2 dans l’air comburant

Dans le cas que nous étudions le ticket d’analyse de la combustion nous donne :

– Facteur d’air (λ)                              : 1,31 pouvant s’exprimer également 131 %

Décomposons le Facteur d’air      :

– Facteur d’air (λ) = Air stoechiométrique + Excès d’air = Air entrant.

– Sachant que le volume maximal d’air (O2 + N2) pouvant se combiner à 1 m³ de gaz méthane est de 9,6 m³ ceci qui représente 100 % de l’air stoechiométrique. Ceci représentant l’air entrant.

– L’excès d’air mesure la quantité d’air restant dans les fumées après la combustion d’un mètre cube de gaz naturel. Ceci représente l’air sortant.

– Le Facteur d’air (λ) étant donc égal à : Air stoechiométrique entrant + Supplément d’air sortant.

On peut donc écrire :

– Si Facteur d’air (λ) = 131 % (Air entrant).

Alors :

– Excès d’air (Ea) = Facteur d’air (λ) – Air stoechiométrique = 131 % – 100 % = 31 % (Air sortant)

Ce qui représente en mètre cube :

– Volume d’air stoechiométrique   : 9,6 m³ soit 100 %

– Volume du facteur d’air (λ)          : 9,6 x 131 % = 12,58 m³

Nous pouvons également poser     : 9,6 x 1,31 = 12,58 m³

– Volume d’excès d’air (Ea)    : Facteur d’air – Air stoechiométrique = 12,58 – 9,6 = 2,98 m³

– Volume d’air stoechiométrique    :   9,6 m³ = 100 %

– Volume du Facteur d’air  (λ)         : 12,58 m³ = 131 % (Air entrant)

– Volume d’excès d’air (Ea)             : 12,58 – 9,6 = 2,98 m³ (Air sortant) soit 31 % de 9,6 m³

En simplifiant l’air étant un mélange de 20,9 % d’O2 et de 79,1 % de N2 on peut donc retrouver la quantité d’O2 entrant et sortant du brûleur.

– Volume d’O2 entrant                     : 12,58 x 20,9 % = 2,63 m³

– Volume d’O2 sortant                      :  2,98 x 20,9 % = 0,63 m³

– Volume de N2 entrant                   : 12,58 x 79,1 % = 9,95 m³

– Vérification (N2 + O2)                  : (9,95 + 2,63) = 12,58 m³

A partir du volume d’O2 total présent dans l’air comburant et le volume d’O2 restant dans les fumées après la combustion on peut calculer le % d’O2 restant dans les fumées :

– %O2 (dans les fumées) = (Volume d’O2 restant dans les fumées x 20,9) / Volume d’O2 total passant par le brûleur.

– %O2 = (0,63 x 20,9) / 2,63 = 5,0 %

– Donc 2,63 m³ d’O2 représente une proportion de 20,9 % du Facteur d’air (12,58 m³) et 5% d’O2 représente le volume final d’O2 restant dans les fumées (0,63 m³) et provenant du facteur d’air (12,58 m³) puisque : 12,58 x 5 % = 0,63 m³.

C’est exactement ce que nous donne le ticket d’analyse de la combustion plus haut.

A partir du Facteur d’air (λ) calculons les volumes entrant et sortant d’O2 puis le % d’O2 sortant.

Soit Facteur d’air (λ) = 2,28 alors Excès d’air (Ea) = (2,28 -1) x 100 = 128 %.

Une telle valeur d’Excès d’air ou de facteur d’air montre que la mesure a été « polluée » par de l’air « parasite » venant s’ajouter au supplément d’air couramment mesuré.

– Facteur d’air (λ)         : 2,28 (Air entrant)

– Excès d’air (Ea)          : (2,28 – 1) x 100 = 128 % (air sortant)

– Volume d’air entrant = Volume stoechiométrique x Facteur d’air = 9,6 x 2,28 = 21,89 m³

– Volume d’air sortant = Volume d’air entrant – Volume d’air stoechiométrique =                   21,89 – 9,6 = 12,29 m³

– Volume d’O2 entrant = Volume stoechiométrique x 20,9 = 21,89 x 20,9 = 4,57 m ³

– Volume d’O2 sortant = Volume d’air sortant x 20,9 = 12,29 x 20,9 = 2,57 m³

– % O2 = (Volume d’O2 restant dans les fumées x 20,9) / Volume d’O2 total passant par le brûleur = (2,57 x 20,9) / 4,57 = 11,8 %.

A partir du volume de N2 total présent dans l’air comburant et se retrouvant dans les fumées après la combustion on peut calculer le % de N2 restant dans les fumées :

Rappel : l’azote n’intervient pas dans la combustion voilà pourquoi on retrouve la même quantité avant la combustion dans l’air comburant et après la combustion dans les fumées. Ceci explique également la raison pour laquelle le diazote n’est pas relevé par l’analyseur de combustion car inutile pour calculer le rendement.

A haute température l’azote présent dans l’air comburant se combine avec l’oxygène pour créer des NOx (Oxydes d’azote) et en particulier le NO2 (Dioxyde d’azote) et le N2O (Protoxyde d’azote) qui détruit l’ozone stratosphérique cependant on le retrouve en quantité extrêmement faible dans la combustion. C’est en particulier le Dioxyde d’azote qui donne cette odeur piquante et âcre aux fumées et s’est lui qui est la cause des pluies acides. Donc une certaine attention est à observer vis à vis de ces composés qui sont des résidus de la combustion.

Premier bilan :

Nous savons retrouver par le calcul le % CO2, le % O2 ainsi que le volume d’O2, le volume de CO2 et le volume de N2. A partir de là il est également possible de retrouver le facteur d’air et l’excès d’air.

5°- Le rendement ou (η) (éta)

Le rendement est exprimé par l’analyseur de combustion en PCI c’est à dire en Pouvoir Calorifique Inférieur.

Petit rappel :

Le PCI ou Pouvoir Calorifique Inférieur ne pourra jamais dépasser 111 % (Rendement théorique).

Le PCS ou Pouvoir Calorifique Supérieur ne pourra jamais dépasser 100 % (Rendement théorique également).

Chaleur latente = Chaleur contenue de manière latente dans la vapeur d’eau à 100°C.

Chaleur sensible = Chaleur sensiblement liée à la température de l’eau.

Tout ceci rappel vaguement la partie du 3°- traitée plus haut sur l’enthalpie de réaction.

Etant originaire du Nord de la France je base une partie de mes calculs et de mes résultats sur le Gaz de Groningue non de « code » G25 – gaz de type L pour « Low » bas pouvoir calorifique.

Par exemple :

Une chaudière basse température ayant un rendement de 90 % sur PCI en G25 aura un rendement PCS de :

R(PCS) = (90 x 29,25) / 32,49 = 81,0 %

Une chaudière à condensation ayant un rendement de 105 % sur PCI aura un rendement PCS de:

R(PCS) = (105 x 29,25) / 32,49 = 94,5 %

– PCS du G25 = 32,49 Mj / m cube

– PCS du G25 = 9,3 kWh / m cube

– PCI du G25 = 29,25 MJ / m cube

– PCI du G25 = 10,3 kWh / m cube

Sachant que : 3,60 Mj = 1 kWh = 0,86011 Th

– PCI / PCS = 0,9 (+/- 0,3)

En terme de Puissance le PCS sera toujours supérieur au PCI. On pose : PCI = 0,9 x PCS.

En terme de rendement l’expression sur PCS sera toujours inférieure à l’expression sur PCI. On pose : PCS = 0,9 x PCI.

D’où bien souvent des confusions et des erreurs.

Le rendement se calcul grâce à la formule dite de Siegert on parle de formule approchée.

Rendement (PCI) = 100 – K’ [(T°C Fumées – T°C Ambiant) / (21 – %O2)]

ou

Rendement (PCI) = 100 – K [(T°C Fumées – T°C Ambiant) / % CO2]

K’ = 0,84 c’est un coefficient lorsque l’on a la valeur de %O2

K = 0,48 c’est un coefficient lorsque l’on a la valeur de % CO2

Le rendement (η) éta donné par l’appareil est de 98,2 % (PCI)

Calculons grâce à la formule de Siegert ce même rendement (η) :

Rendement (PCI) = 100 – K [(T°C Fumées – T°C Ambiant) / % CO2]

Rendement (PCI)  calculé = 100 – 0,48 [(56 – 20,6) / 8,99] = 98,1 %

Soit un écart acceptable avec l’appareil de mesure qui nous donne 98,2 % (PCI).

Présentation des données sous forme d’un tableau global.

Avec l’ensemble des démonstrations ci-dessus le chauffagiste est à même d’analyser et d’interpréter rigoureusement les résultats de son analyse de combustion. Certains « puristes » aimeront allé plus loin et je leur propose la suite de cet article « pour aller plus loin ».

 Pour aller plus loin :

Le chimiste a pour vocation d’étudier la matière dans ce qu’elle renferme de plus petit pour cette raison il étudie la matière sous son aspect moléculaire puis atomique. Cependant l’échelle atomique étant tellement petite le chimiste a voulu rapprocher cette échelle de la notre pour cela dans ses calculs le chimiste va raisonner non pas en terme d’atome unique mais en terme de paquets d’atomes qu’il nomme « mol ». Pour analyser les réactions chimiques finement nous devons impérativement en passer par là. A partir de là nous calculons la masse de chaque mol que l’on nomme « Masse molaire » symbole « M » elle s’exprime en gramme / mol.

Pour cela nous allons reposer l’équation chimique développée de la combustion avec la production de fumées humide comme ceci se produit dans les chaudières notamment :

CH4 + 2 O2      –>  CO2 + 2 H20 + Energie (réaction exothermique)

Nous pouvons également traduire cette équation développée par une présentation globale des données comme j’avais pu le faire plus haut

a) Retrouvons par exemple la quantité d’air nécessaire à la combustion d’un mètre cube de gaz méthane.

Masse molaire (M) du carbone = 12 g / mol

Masse molaire (M) de l’hydrogène = 1 g / mol

Masse molaire (M) de l’oxygène = 16 g / mol

– Masse molaire du méthane de formule CH4 = 12 + (4 x 1) = 16 g / mol

– Masse molaire de l’eau de formule H2O = (2 x 1) + 16 = 18 g / mol

– Masse molaire (M) du dioxyde de carbone de formule CO2 = 12 + (2 x 16) = 44 g / mol

Enfin les chimistes ont déterminés également la volume d’une mol de gaz (considérant que l’on a affaire à un gaz parfait) et que l’on nomme volume molaire des gaz = 22,4 L . mol

Reprenons l’équation chimique on voit que :

1 mol de gaz méthane (CH4) réagit avec 2 mol de dioxygène (O2)

On peut donc écrire que : 16 g  de CH4 réagit avec (2 x 32 g soit 64 g) d’O2.

Sachant que ces 16 grammes de CH4 représentent 1 mol et qu’une mol de gaz représente un volume de 22,4 L / mol alors 16 gramme de CH4 représentent = 22,4 Litre ou 0,0224 m cube.

Déterminons le nombre de mol de gaz présent dans 1 m cube de CH4 : si 1 mol  de CH4 = 0,0224 m cube alors 1 m cube de CH4 = (1 x 1) / 0,0224 = 44,64 mol.

Selon l’équation chimique 1 mol de CH4 réagit avec 2 mol d’O2 donc on peut écrire que : 44,64 mol de CH4 (soit 1 m cube de CH4) réagiront avec (2 x 44,64) / 1 = 89,28 mol d’O2.

Sachant que le volume molaire d’un gaz est de 22,4 L / mol

Alors 89,28 mol d’O2 réagiront avec : (22,4 x 89,28) = 1999,87 m cube d’O2 que l’on peut arrondir à 2 m cube.

Nous avons ainsi démontré que la combustion d’un mètre cube de gaz méthane pur (CH4) consomme 2 mètres cube de dioxygène.

L’air étant composé de 20,9 % de dioxygène + de 79,1 % de diazote (nous mettons volontairement de côté les gaz rares) nous pouvons écrire que :

20,9 % = 2 m cube

Donc : 79,1 % = (79,1 x 2) / 20,9 = 7,57 m cube.

Nous avons donc : 2 mètre cube d’O2 + 7,57 mètre cube de N2 = 9,57 mètre cube d’air.

Nous pouvons dire qu’un mètre cube de méthane (CH4) à besoin pour brûleur d’au moins 9,57 mètre cube d’air (O2 + N2) ceci pouvant être simplifié par 1 m cube de méthane à besoin de 10 m cube d’air.

b) Retrouvons par exemple le volume d’eau sous forme de vapeur (mètre cube) produit par la combustion d’un mètre cube de gaz méthane.

A nouveau reprenons l’équation chimique on voit que :

1 mol de gaz méthane (CH4) réagit pour former 2 mol d’eau (H2O) sous forme liquide nous pouvons donc dire sans refaire les calculs plus haut qu’un mètre cube de méthane pur (CH4) réagit pour former 1,99 mètre cube d’eau à l’état vapeur (gazeux).

Donc 1 mètre cube de CH4 produit environ 2 mètres cube d’eau soit 2000 Litres d’eau sous forme de vapeur d’eau donc sous forme gazeuse.

Si cette eau passe de l’état gazeux (vapeur d’eau) à l’état liquide s’est bien ce qui arrive lorsque l’on s’approche ou que l’on s’éloigne de la température du point de rosée nous avons :

1 mol de CH4 donc 0,0224 m cube produira 2 mol d’eau soit (2 x 18 g / mol) = 36 grammes d’eau

Donc 1 m cube de CH4 produiront : 36 / 0,0224 = 1607 grammes d’eau soit 1,6 kg. Sachant que la masse volumique de l’eau est de 1 kg / litre à environ 4 °C.

Nous pouvons raisonnablement dire que 1 m cube de CH4 produit environ 1,6 Litres d’eau sous forme d’eau liquide (l’eau pouvant être sous forme de vapeur).

Voyez l’importance de ces calculs un peu fastidieux pour bien comprendre tout ce qui est en jeu.