Chimie de la combustion - Flammes à base d’hydrocarbures

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 (NO_x ), 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.