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1 - PHÉNOMÈNE DE LA COMBUSTION

2 - FORMATION DES PRÉCURSEURS DES SUIES DANS LES FLAMMES D’HYDROCARBURES

3 - PERSPECTIVES

Article de référence | Réf : AF6210 v1

Perspectives
Chimie de la combustion - Flammes à base d’hydrocarbures

Auteur(s) : Véronique DIAS, Jacques VANDOOREN

Date de publication : 10 juil. 2004

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Auteur(s)

  • Véronique DIAS : Docteur - Assistante de recherche au laboratoire de physico-chimie de la combustion à l’Université catholique de Louvain (Belgique)

  • Jacques VANDOOREN : Professeur au département de chimie à l’Université catholique de Louvain (Belgique)

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INTRODUCTION

La combustion est un phénomène important puisqu’elle est utilisée comme source d’énergie principale. Le problème majeur de ce processus est la formation de polluants (CO, composés organiques volatils (COV), oxydes d’azote (NOx ), hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), suie...). En effet, dans l’activité humaine, ces composés sont ceux qui prédominent dans l’environnement par les rejets de nombreux systèmes de combustion : moteurs automobiles, sidérurgie, entreprises chimiques, incendies, incinérateurs de déchets urbains...

Depuis de nombreuses années, les sociétés européennes mais également internationales tentent de réduire cette pollution de l’air et, notamment, celle engendrée par les processus de combustion qui peuvent produire des hydrocarbures aromatiques polycycliques menant finalement à la formation de la suie. Cet article est centré principalement sur la formation de ces composés hydrocarbonés.

De nos jours, les principaux combustibles utilisés sont fossiles tels que le charbon, le pétrole et le gaz naturel. Pour connaître le cheminement de formation des espèces chimiques obtenues à partir du combustible initial jusqu’aux produits finaux, des études cinétiques sont effectuées par différentes techniques d’analyse. L’intérêt de telles études est de déterminer la vitesse de réaction de chaque processus chimique ainsi que la nature de ces différents composés produits. Une fois ces connaissances acquises, il est plus aisé d’intervenir sur le mode de combustion des hydrocarbures pour réduire les polluants et augmenter le rendement énergétique.

Différentes techniques avec leur appareillage spécifique permettent d’analyser la combustion des espèces hydrocarbonées : les réacteurs (fermés, à écoulement tubulaire, parfaitement agités), les systèmes à compression (machine à compression rapide, tube à choc) et les brûleurs (à flamme de prémélange, à flamme de diffusion). À partir de ces dispositifs expérimentaux, des mesures de constantes cinétiques peuvent être effectuées ; elles déterminent la vitesse à laquelle se déroule une réaction. Ces résultats servent de base à l’élaboration d’un mécanisme cinétique qui regroupe toutes les voies réactionnelles ayant lieu pendant la combustion.

Ces modèles permettent de simuler la combustion d’un hydrocarbure dans un réacteur donné, avec des conditions de température et de pression définies. En comparant les résultats calculés avec ceux obtenus expérimentalement, le mécanisme est validé ou non : c’est‐à‐dire que, dans les mêmes conditions que celles du mode opératoire, il doit pouvoir représenter l’expérience au point de vue cinétique.

Un tel mécanisme pourra ensuite être utilisé dans des calculs industriels : pour optimiser la fabrication d’un système de combustion en réduisant la pollution et en augmentant le rendement, pour prévoir les concentrations de polluants ainsi que leur vitesse de réaction...

Il est important de connaître les différents processus de formation des polluants afin de les enrayer et de réduire leur production.

Depuis plusieurs années, de nombreuses recherches ont permis de progresser dans le domaine de la cinétique de la combustion des hydrocarbures. L’oxydation de ces espèces hydrocarbonées est actuellement assez bien connue, et les principales études s’effectuent sur la formation des composés plus lourds, comme le premier cycle aromatique et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). La préoccupation née de la présence de HAP dans l’environnement est liée à leurs propriétés cancérigènes, mutagènes et cytotoxiques. Leur formation provient d’espèces composées de deux à six carbones et ils sont définis comme « précurseurs de suie » puisqu’ils mènent directement (ou indirectement) à la formation de celle‐ci.

Une analyse de ces différentes voies réactionnelles pour la formation des composés hydrocarbonés, des HAP et de la suie est présentée dans cet article.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-af6210


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3. Perspectives

Actuellement, de nombreuses recherches en combustion sont basées sur la formation du premier cycle aromatique (C6H6 et C6H5) et des composés plus lourds tels que les HAP et la suie. Les techniques utilisées (réacteurs, systèmes à compression, brûleurs) permettent d’analyser les hydrocarbures dans des conditions expérimentales différentes et complémentaires.

Il apparaît que la formation du premier cycle aromatique joue un rôle essentiel dans la production des composés aromatiques polycycliques. Beaucoup de travaux ont été effectués afin d’établir le processus de formation du benzène et du radical phényle, mais ce dernier reste encore incertain. Cependant, deux voies réactionnelles sont principalement proposées : la voie en C4 + C2 et la voie en C3 + C3 . La contribution de chacune de ces voies dépend du combustible initial mais, également, des conditions expérimen- tales : concentration du combustible, pression et température du milieu.

De plus, on a vu que le benzène et le radical phényle permettent la formation des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), et trois schémas réactionnels sont alors proposés à partir des résultats expérimentaux et de la modélisation (cf. figure 15) : par des réactions d’addition entre deux composés aromatiques, par le mécanisme « HACA », et par des réactions avec le radical cyclopentadiényle (C5H5 ) et un cycle aromatique.

La croissance de ces HAP aboutit à la formation de la suie dont le processus peut s’avérer légèrement différent selon les conditions expérimentales. Les différentes étapes de la production de suie sont néanmoins encore mal connues.

  • Les composés hydrocarbonés, comme les HAP et la suie, sont produits notamment lors de la combustion de dérivés du pétrole en régime diffusionnel (moteur Diesel, chaudière à hydrocarbure liquide...). Pour réduire la formation de ces composés, des recherches sont en cours pour la mise au point de carburants « plus propres » pour les moteurs.

    • Le gaz de pétrole liquéfié (GPL)...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - KEE (R.), RUPLEY (F.M.) et al -   *  -  Chemkin Collection, Release 3.6. Reaction Design. Inc. San Diego, CA (2000).

  • (2) - DIAS (V.) -   Étude de la formation des précurseurs des suies dans les flammes riches prémélangées d’éthylène.  -  Thèse. Université catholique de Louvain, Belgique (2003).

  • (3) - FRISTROM (R.M.), AVERY (W.H.), GRUNFELDER (C.) -   Reactions of simple hydrocarbons in flame fronts-microstructure of C2 hydrocarbon-oxygen flames.  -  Proc. Combust. Instit., vol. 7, p. 304-310 (1959).

  • (4) - PEETERS (J.), MAHNEN (G.) -   Reaction mechanisms and rate constants of elementary steps in methane-oxygen flames.  -  Proc. Combust. Instit., vol. 14, p. 133-146 (1972).

  • (5) - PEETERS (J.), MAHNEN (G.) -   Structure of ethylene-oxygen flames. Reaction mechanism and rate constants of elementary reactions.  -  Combust. Instit. European Symposium, p. 53‐58 (1973).

  • ...

Ouvrages généraux

Cinétique chimique

ARNAUD (P.) - « Cours de chimie physique ». - Éd. Dunod, 3e éd. (1993).

ATKINS (P.) - PAULA (J.) - « Physical chemistry ». - Oxford University Press, 7e éd. (2002).

BORGHI (R.) - DESTRIAU (M.) - « La combustion et les flammes ». - Éd. Technip (1995).

GARDINER (W.C.) - « Combustion chemistry ». - Éd. Springer-Verlag, New York, Berlin, Heidelberg, Tokyo (1984).

JUNGERS (J.C.) - BALACEANU (J.C.) - COUSSEMANT (F.) - ESCHARD (F.) - GIRAUD (A.) - HELLIN (M.) - LEPRINCE (P.) - LIMIDO (G.E.) - « Cinétique chimique appliquée ». - Éd. Technip IFP (1958).

VAN TIGGELEN (A.) - BALACEANU (J.C.) - BURGER (J.) - de SOETE (G.) - SAJUS (L.) - SALE (B.) - VAN TIGGELEN (P.) - « Oxydations et combustions - Tome I ». - Éd. Technip IFP (1968).

VAN TIGGELEN (A.) - BURGER (J.) - CLEMENT (G.) - de SOETE (G.) - FEUGIER (A.) - KARR (C.) - MOUNOT (G.) - « Oxydations et combustions - Tome II ». - Éd. Technip IFP (1968).

Formation des composés aromatiques

BITTNER (J.D.) - HOWARD (J.B.) - Composition profiles and reaction mechanisms in a near-sooting premixed benzene/oxygen/argon flame. - Proc. Combust. Instit., vol. 8, p. 1105-1115 (1981).

BOCKHORN (H.) - « Soot formation in combustion ». - Éd. Bockhorn, p. 3 (1994).

D’ANNA (A.) - VIOLI (A.) - A kinetic model for the formation of aromatic hydrocarbons in premixed laminar flames. - Proc. Combust. Instit., vol. 27, p. 425-433 (1998).

DIAS (V.) - RENARD (C.) - VAN TIGGELEN...

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