La combustion a lieu quand un combustible, le plus souvent un combustible fossile, entre en réaction avec l’oxygène de l’air pour produire de la chaleur. La chaleur produite par la combustion d’un combustible fossile est utilisée dans le fonctionnement d’équipements tels que les chaudières, les fours et les moteurs. En plus de la chaleur, la réaction exothermique produit du CO2 (dioxyde de carbone) et de l’H2O (eau).

CH4 + 2O2      ->    CO2 + 2H2O + Chaleur

C + O2    ->    CO2 + Chaleur

2H2 + O2     ->     2H2O + Chaleur

En contrôlant et régulant certains des gaz présents dans la cheminée ou le conduit d’échappement, on peut facilement améliorer le rendement de combustion, et ainsi économiser le combustible et réduire les coûts. Le rendement de combustion désigne le calcul de l’efficacité du processus de combustion. Pour atteindre des niveaux de rendement maximum, une combustion complète doit se produire. Celle-ci se produit lorsque toute l’énergie du combustible brûlé est extraite et qu’aucun composé de carbone et d’hydrogène ne subsiste à l’état imbrûlé. La combustion complète a lieu dès lors que les quantités appropriées de combustible et d’air (ratio air-combustible) se mélangent pendant le bon laps de temps dans les conditions de turbulence et de température adéquates.

La combustion stœchiométrique fournit en théorie le ratio air-combustible parfait, qui permet de minimiser les déperditions et d’extraire du combustible la totalité de l’énergie. Mais, en réalité, la combustion stœchiométrique est irréalisable du fait de facteurs nombreux et divers. Les déperditions thermiques étant inévitables, il est impossible d’obtenir un rendement de 100 %.

En pratique, pour parvenir à une combustion complète, il est nécessaire d’augmenter les quantités d’air utilisées dans le processus de combustion, de sorte que la totalité du combustible soit brûlée. La quantité d’air à ajouter pour s’assurer de la récupération de toute l’énergie disponible est appelée « excès d’air ».

Dans la plupart des processus de combustion, certains composés chimiques additionnels se forment au cours des réactions de combustion. Il convient de chercher à minimiser et de mesurer précisément certains de ces produits, comme le CO (monoxyde de carbone), le NO (monoxyde d’azote), le NO2 (dioxyde d’azote), le SO2 (dioxyde de soufre), la suie et la cendre. Certains d’entre eux font l’objet de normes et de réglementations spécifiques de la part des instances officielles, leurs émissions étant nocives pour l’environnement.

L’analyse de combustion constitue une mesure cruciale pour le bon fonctionnement et le contrôle efficace de tout processus de combustion, afin d’obtenir un rendement de combustion maximum couplé à une réduction optimale des émissions polluantes.

Objectif de la combustion

La combustion a pour objectif la récupération, de la manière la plus efficace possible, de l’énergie produite par le brûlage de combustibles. Pour maximiser le rendement de combustion, la totalité du matériau combustible doit être brûlée en produisant le moins de déperditions possibles. Plus on parvient à brûler les combustibles et à récupérer l’énergie de façon efficace, plus le coût du processus de combustion baisse.

Combustion complète

Lors d’une combustion complète, 100 % de l’énergie du combustible est extraite. Il est donc important de tendre vers une combustion complète pour économiser le combustible et améliorer l’efficacité économique du processus. Pour que la combustion complète ait lieu, la quantité d’air doit être suffisante dans la chambre de combustion. L’ajout d’un excès d’air permet de diminuer considérablement la formation de CO (monoxyde de carbone), en permettant une réaction entre le CO et l’O2. Plus la quantité de CO subsistant dans le gaz de fumée est faible, plus la réaction s’approche d’une combustion complète. Ceci est dû au fait que le monoxyde de carbone (CO), un gaz toxique, contient en lui-même une quantité d’énergie conséquente qu’il convient de brûler en totalité.

Combustion stœchiométrique

La combustion stœchiométrique est le point théorique au niveau duquel le ratio air-combustible est idéal pour que se produise une combustion complète à rendement parfait. Bien que la combustion stœchiométrique soit impossible, s’en approcher au maximum dans tous les processus de combustion est recherché pour optimiser la rentabilité.

          Flamme de fioul                            Flamme de gaz

Ratio air-combustible

Le ratio air-combustible désigne le rapport entre les proportions de combustible et d’air lors de la combustion. On obtient le ratio optimal (le mélange stœchiométrique) quand la totalité du combustible et la totalité de l’oxygène dans la chambre de réaction s’équilibrent parfaitement. On parle de mélange riche quand la chambre de combustion contient plus de combustible que d’air, et de mélange pauvre quand elle contient plus d’air que de combustible.

Combustibles

Les combustibles couramment utilisés dans les processus de combustion à travers le monde sont nombreux, les plus communs étant le charbon, le fioul, le diesel, l’essence, le gaz naturel, le propane, le gaz de coke et le bois. Chaque combustible présente des caractéristiques chimiques différentes, ainsi qu’un rapport C/H2 et une valeur calorifique uniques, entre autres. La quantité d’air comburant requise pour brûler en totalité un combustible spécifique dépend de ces caractéristiques, et tout particulièrement du rapport C/H2. Plus la quantité de carbone est importante dans le combustible, plus il faut d’air pour parvenir à une combustion complète. Pour contrôler le rendement d’un processus de combustion, il est important de connaître le combustible utilisé pour permettre non seulement de déterminer les conditions de performance optimales d’une chaudière, mais aussi de maximiser son rendement.