CHAPITRE PREMIER PHÉNOMÈNES DE COMBUSTION

Impoitance des combustibles. — Propriétés essentielles. — Classification.

Combustion totale. — Réaaions chimiques. — Combustibles gazeux. — Combustibles liquides. — Combustibles solides. — Formation d'oxyde de carbone. — Zone à combustion complète. — Irrégularité des passages d*air. — Cendres. -- Matières Tolatiles. — Transtormation du combustible. — Combustion lente. ~ Oxydation de la houille. — Conséquences de loxydation spontanée. — Incendies. — Essais d*inflimmabilité.

Calorimétrie. — Quantités de chaleur. — Bombe calorimétrique. — Résuhats numériques. — Chaleur de réactions diverses. — Principe de conservation de Ténergie. — Chaleur de combustion i pression constante. — Principe de l'état initial et final. — Eau vapeur. — Chaleur de formation des corps combustibles. — Chaleur de combustion aux températures élevées.

ÉauiUBRES CHIMIQUES. — Réactions limitées. — Loi de subilité. — Loi d*isoéquilibre. — Loi de Faction de masse. — Acide carbonique. — Eau. — Oxyde de carbone. — Gaz à Teau. — Action de Teau sur le • charbon.

Importance des oombastibles. — Dans toutes les industries minérales, métallurgiques, céramiques^ verrerie, etc. ., les

dépenses de combustible sont un des éléments les plus importants du prix de revient.

Les combustibles servent avant tout au chauflFage. pour l'obtention des températures élevées nécessaires dans un grand nombre d'opérations industrielles. On les emploie encore pour la production de la force motrice, avec les machines à vapeur et les moteurs à explosion. Enfin, une quantité moins considérable est dépensée comme réducteur pour Textraction des métaux de leurs minerais ; le fer, le zinc par exemple.

Quelques chifïres donneront une idée de l'imponance de ces différents usages. Pour produire une tonne de fonte, on consomme un peu plus d'une tonne de coke et pour transformer cette tonne de fonte en acier brut, puis en rails et en tôles, on consomme encore une seconde tonne de charbon, tant pour le chauffage des fours que pour la force motrice nécessaire au laminage. En céramique, la cuisson des produits réfractaires de choix, briques de silice ou de magnésie, demande une demi tonne de charbon et celle des briques ordinaires, un quart de tonne. Cette consommation dépasse une tonne pour la porcelaine et atteint le double dans la verrerie.

La production de la iorce motrice exige en moyenne la consommation de I kg. de charbon par cheval-heure. Les grands paquebots, les navires de guerre, consomment ainsi lo t. et plus à rheure. Une machine de i.ooo chvx, comme Ton en rencontre fréquemment dans les usines, consommera donc une tonne à Theure.

Le prix des combustibles varie beaucoup suivant les pays, suivant la position des usines par rapport aux mines ou aux forêts. Enfin, les combustibles artificiels, conune le coke ou le charbon de bois, valent plus cher que la houille ou le bois naturel. En France, on peut admettre pour les usines convenablement situées un prix de la houille compris entre lo et 20 fr. Il s'élève jusqu'à 25 fr. et au delà pour les usines éloignées de houillères.

Le rapprochement des consommations indiquées plus haut, avec le prix d'achat des combustibles et le prix de revient des

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madères fabriquées, montre que dans bien des cas, la dépense de combustible représente à elle seule, la moitié du prix de revient. C'est donc un facteur essentiel à prendre en considération dans toute opération industrielle. Une économie de combustible produit immédiatement et directement un relèvement intéressapt des bénéfices.

Un dernier chiffre suffira pour préciser l'importance des combustibles, celui de leur consommation annuelle dans le monde. Elle peut être évaluée à i milliard de tonnes^ valant au moins 10 milliards de francs, pris au lieu de production et près du double au point de consommation.

Propriétés essentielles. — L*étude des combustibles, pour être complète, exige Texamen d*un grand nombre de points de vue différents. Quelques-uns, comme celui de leur exploitation, sont étrangers à l'objet propre de la métallurgie. Il est utile cependant de connaître les conditions les plus habituelles de leur gise^ ment ; les transformations que l'on doit leur faire subir avant de les livrer au consommateur pour en faciliter Temploi, telles que préparation mécanique, destinée à réduire leur teneur en cendres ; carbonisation, pour enlever les matières volatiles toujours coûteuses à transponer, comme Teau d'imbibition des bois frais, ou gênantes, commj le goudron de la houille, dans certains appareils de chauffage ; pulvérisation ou agglomération desûnée à faciliter leur combusdon. Il faut enfin connaître toutes leurs propriétés physisiques : densité^ porosité^ friabilité, fusibilité, etc.

Un second point de vue plus important encore concerne les conditions nécessaires à réaliser pour obtenir le dégagement de la chaleur emmagasinée à Tétat latent dans les combustibles. Cette étude embrasse : les réactions chimiques d*oxydation, plus ou moins complètes suivant les proponions relatives de Tair et du combustible ; les vitesses d'oxydation^ croissant avec la température pour arriver finalement à la combusdon vive et enfin la propagation de Tinflammation d'un point à un autre d'une masse d'un combustible.

Une fois les réactions chimiques accomplies, il y a lieu de se préoccuper de la mesure des quantités de chaleur dégagées, des températures développées par la combustion, des propriétés oxydatt" tes ou réductrices des gaz engendrés par cette combustion, enfin de la pression explosive y si la combustion s'est produite en vase clos.

En dehors de ces phénomènes intimement liés aux propriétés essentielles des combustibles et aux plus importantes des conditions de leur emploi, il y a encore à se préoccuper de certaines circonstances accidentelles, sans lien nécessaire avec leur nature propre^ mais jouant néanmoins un rôle très important dans les différentes applications. Par exemple, tous les combustibles natu* rels sont souillés de cendres qui encrassent les foyers et exigent des dispositions toutes spéciales pour obtenir une combustion satisfaisante. Le soufre et le phosphore présents dans ces nr.èmes cendres, altèrent les métaux produits à leur contact et en dénaturent complètement certaines propriétés. D'autrefois, la combustion incomplète de matières carbonées volatiles, donnera des dépôts de noir de fumée, suivis d'obstruction des conduits de gaz, capables d'arrêter complètement la marche des fours. Par contre, la combustion des mêmes dépôts de carbone, donnera aux flammes lumineuses, tout leur pouvoir éclairant.

Ces quelques indications suffisent pour montrer combien la question des combustibles soulève de problèmes différents, elle résume les différents points de vue auxquels nous aurons à nous placer pour en faire une étude complète.

Clatsiûcation. — Les combustibles employés dans les usines sont très différents et semblent, à première vue, n'avoir entre eux aucune relation. Le bois, la houille, le gaz d'éclairage, n ont aucune propriété physique commune. Tous ces combustibles cependant proviennent d'une origine identique ; ils ont emprunté au soleil l'énergie latente qu'ils restituent au moment de leur combustion. Le bois se forme aux dépens de l'acide carbonique de l'air, décomposé par les feuilles sous Tinftuence des radiations solaires ; le carbone reste fixé dans les tissus végétaux et Toxygène

est dégagé dans ratmosphère. Ces matières végétales enterrées dans le sol ont donné naissance, suivant Tétat d'avancement de leur altération, à la tourbe, au lignite, à la houille et à Tanthractte. Il est à peu près inipossible de reconnaître aujourd'hui dans la houille, aucune trace d'organisation ; on est cependant fixé sur son origine végétale par la présence, dans les terrains encaissants, de végéuux de grandes dimensions^ appartenant à la famille des fougères ; k tronc et le feuillage moulés dans la terre ont conservé leurs formes premières. La houille résulte de la transformation des végétaux de dimensions comparables, sans doute, à celles des constituants actuels de la tourbe. Si certains dépôts de tourbe des Vosges venaient à être enfouis à plusieurs centaines de mètres sous terre, ils s'aggloméreraient bientôt en masses compactes où l'on ne pourrait plus distinguer aucune des brindilles apparentes aujourd'hui, mais on retrouverait sans difficulté les troncs de quelques grands sapins implantés au milieu d'elles.

Enfin les combustibles artificiels : coke, charbon de bois, gaz d'éclairage, dérivent encore de la houille ou du bois et par conséquent nous restituent, dans leur combustion, par des chemins très détournés, il est vrai, la chaleur solaire accumulée antérieurement par les végétaux vivant à la surface de la terre.

On peut diviser les combustibles en un certain nombre de groupes, possédant chacun des caractères communs, bien définis. Une première division s'impose d'elle-même entre les combustibles naturels et les combustibles artificiels. On obtient chacun d*eux par des procédés tout différents ; il suffit de recueillir les uns là où ils se trouvent dans la nature, tandis qu'il faut fabriquer les autres dans des usines appropriées à cet usage. Les prix de revient sont aussi très diff^èrents.

Au point de vue de Temploi, il y a une autre distinction, non moins imporunte à faire d'après leur état physique. Les combustibles solides, liquides ou gazeux, ne se brûlent pas dans les mêmes appareils et ne servent pas aux mêmes usages.

Nous étudierons particulièrement les combustibles suivants :

G)mbustiblcs naturek. — Bois, tourbe. ligniU. houille^ anthracite^ pétrole et gai naturel,

Ccmbusnbles artificiels. — Coke, charbon de bois, acétylène, ga^ à leau, ga^d* éclairage et ga^^ pauvre de ga:(pgéne.

Dans ce premier chapitre, nous commencerons par étudier les réactions chimiques de la combustion vive et de la combustion lente, les quantités de chaleur dégagées par ces réactions et enfin les équilibres chimiques résultant de combustions incomplètes.