COMBUSTION TOTALE
Réaotioiis chimiques. — La combustion est essentiellement un phénomène d'oxydation; tous les combustibles industriels renferment du carbone et de Yhydrogène, avec des proportions variables de corps non coq[ibustibles, oxygène et a's^te. En présence d*un excès d'air ou d'oxygène, la combustion complète donne de Tacide carbonique, de la vapeur d*eau mêlés à un excès d'azote, provenant principalement de l'air et parfois, mais en petite quantité seulement, du corps combustible.
Il est très imponant au point de vue de Temploi des combustibles, de connaître les volumes et les poids d*air, les volumes et les poids de fumée intervenant dans les phénomènes de combustion. Ces données sont indispensables pour définir les conditions du tirage des foyers, calculer les quantités de chaleur emportées par les fumées.
L'air est composé en volume de :
Azoïe et argon 77,6 0/0
Oxygène 20,4
Vapeur d'eau 2
si Ton néglige l'acide carbonique, dont les quelques dix millièmes ne peuvent avoir aucune influence appréciable.
PHÈKOMÈKES DE COMBUSTION' 29
Pour simplifier les calculs, nous admettrons que Tair est exactement composé de i partie d'oxygène pour 4 de gaz inerte, azote, argon et vapeur d'eau. Suivant les cas, il peut y avoir intérêt à exprimer les quantités de matière avec les unités de poids et de volume du système décimal, gramme ou kilo et litre ou mitre cube ou avec les unités employées en chimie, c'est-à-dire poids et volumes moléculaires. Le volume d*une molécule est de 22^32 1. à o^ et 760 mm., le poids moléculaire est celui du volume moléculaire. Les formules chimiques employées corres* pondront toujours, au moins dans le cas des corps gazeux, à un poids moléculaire. Pour les corps solides, comme le carbone» on prendra le poids atomique.
Les tableaux suivants donnent, avec les équations des réactions de combustion avec Tair, Tindication des poids et des volumes de matières en jeu dans la réaction :
Combustion du carbone,
C + O' -i- 4 Az* = C O* + 4 Az'
Poids (gr.) . . 12 32 112 44 112
Volumes (lit.) . 22,32 89,28 22 32 89.28
Molécules . . 5 5
Cette réaction se produit sans changement de volume, le volume de Tacide carbonique étant égal à celui de Toxygène consommé.
Combustion de l hydrogène,
H«+o,5 0*-h2Az'=H*0 + 2Az'
Poids (gr.) . . 2 16 56 18 56
Volumes (lit). . 22,32 11,16 44,64 22,32 44,64 Molécules . • 3,3 3
Cette réaction est accompagnée d'une contraction de 1/2 molécule, soit 1/7 du volume du mélange gazeux primitif.
On aurait les mêmes relations pour la combustion de Toxyde de carbone.
Combustion de l'acétylène,
C* H* + 2,5 0* + 10 Az»zi:2CO'-|-H«0-hioAz« Poids (gr.) . . 26 80 280 88 18 280
Volumes (lit.) . 22,32 55,80 223.20 44.6^ 22,32 223,20 Molécules . . 13,5 13
La combustion est accompagnée de la contraction de 0,5 molécule, soit de 1/27 du volume primitif.
Combustion de la cellulose, — La combustion de la cellulose, le constituant essentiel des bois» se fait suivant la réaction :
€• H*^ O» + 6 O* + 24 Az» = 6 C O* +5 H* O + 24 \z' Poids (gr.). . 162 192 672 264 90 672
Volumes (lit.). 133,9 535,6 133,9 m»^ 535i6
Molécules . . 30 35
Il y a donc, dans ce cas, une augmentation de volume de 5 molécules, en supposant l'eau restée à Tétat de vapeur, soit de 1/6 du volume gazeux primitif, c'est-à-dire du volume de Tair employé à la combustion, puisque la cellulose est un corps solide.
Combustion de la houille. — Les équations des réactions et les modes de calculs précédemment employés, ne conviennent que pour les combinaisons définies, ils ne s'appliquent pas par conséquent à la plupart des combustibles naturels, tous constitués par des mélanges très complexes. On rapporte alors les calculs à Tunité de poids, le kilog., ou, s'il s'agit de combustibles gazeux^ comme le gaz d'éclairage, à l'unité de volume, le mètre cube. Nous donnerons un exemple de ces calculs appliqué à la houille.
Composition de la houille,
Élémenls. Poids en grammes. Nombre de molécules
Carbone 732
Hydrogène .... 52
Oxygène 82
Eau hygrométrique . 34
Azote 10
Cendres 70
18 zz 1.90
Total . . . i.ooogr.
Les quantités d'air nécessaires pour la combustion de ce kilogramme de houille et les fumées produites sont les suivantes :
Air comburant.
Corps, llolécalos. Gnmmjt. Litres.
O*. . 86,6 2771 1933 Az* . 346,4 9 699 7732
Fu
Corps. Molécules.
niées.
Grammes.
Litres.
Az* . 346,75
On voit donc que la combustion de i kg. de charbon exige à peu près lo m* d'air et donne lo m» environ de fumées. Pratiquement on compte de lo à 12 m' d'air, parce que, pour des raisons qui seront indiquées plus loin, la combustion n^est complète qu'en présence d*un léger excès d'air. Le changement de volume de la masse gazeuse résultant de la combustion est très faible : 4,3 mol. sur 433 mol., soit exactement i 0/0.
Combostibies gazeux. — L'état physique sous lequel se trouvent les combustibles exerce une grande influence sur les conditions de leur combustion. Les ^^;^ sont plus faciles à brûler que les liquides et ceux-ci plus que les solides.
Les combustibles gazeux peuvent être brûlés de deux façons différentes. Ou bien on les mêle intimement à Tair avant leur combustion; dans ce cas la réaction correspondant à la combustion complète se produit dès le premier moment, souvent avec une grande violence en donnant lieu à une véritable explosion, si le mélange est enfermé dans une capacité close où la pression peut s'élever. En faisant au contraire sortir le mélange par un orifice avec une vitesse suffisante, on peut maintenir la flamme immobile sur l'orifice et obtenir en ce point un chauffage extraordinairement intense. C'est le principe sur lequel reposent les brûleurs Bunsen employés dans les laboratoires. Ce mode de combustion est rarement employé dans l'industrie, parce que le plus souvent on se propose d'avoir, non pas un chauffage très
fort en un seul point, mais au contraire un chauffage uniforme dans une grande enceinte.
Le second procédé consiste à laisser les gaz se mêler progressivement au fur et à mesure de leur combustion. On peut ainsi obtenir des flammes très longues qui donnent un chauffage uniforme dans des fours de grande dimension. Dans ce mode de combustion il se produit des réactions successives variées avant d'arriver au terme final de la combustion : acide carbonique et vapeur d*eau. On obtient par exemple, avec les carbures d'hydrogène, des précipitations de noir de fumée, très gênantes dans certaines opérations par les obstructions qu'elles occasionnent dans les conduits de gaz, très utiles au contraire dans les flammes lumineuses dont le pouvoir éclairant résulte précisément de l'incandescence de ce charbon pendant sa combustion.
Les combustibles gazeux ont le grand avantage de se prêter à un réglage très simple des proportions relatives du gaz combustible et de Tair. En agissant sur la section des orifices d'écoulement ou sur la pression motrice, on fait instantanément varier les débits. En laissant ces grandeurs fixes, on assure la permanence de la combustion avec les proportions réglées une fois pour toutes dans les conditions les plus avantageuses. L'emploi des combustibles gazeux a encore, comme nous le verrons plus loin, le très grand avantage de se prêter à l'application du procédé de récupération des chaleurs perdues des fumées, imaginé par sir William Siemens. La combustion de ces mélanges donne lieu d'ailleurs à toute une série de phénomènes particuliers très intéressants, non seulement au point de vue scientifique, mais par les applications pratiques et nombreuses qu'ils comportent Pour ces raisons multiples, nous aurons fréquemment à revenir dans les chapitres suivants sur la combustion des gaz. Les indications sommaires données ici n'ont d'autre but que d'appeler l'attention sur l'importance de cette question.
Pour montrer l'élasticité dans le chauffage dû à l'emploi des gaz, on mentionnera incidemment le fait suivant. Supposons plusieurs brûleurs consommant uniformément loo 1. d'acé-
tylène à l'heure, c'est-à-dire dégageant tous la même quantité de chaleur dans le même temps. Un de ces brûleurs est un simple tube de quelques millimètres de diamètre débouchant librement dans Tair, sans mélange préalable du gaz combustible avec Tair. Nous aurons une grande âamme fuligineuse d^un volume de loo cm* environ, ne se prêtant pas au chauffage et donnant un faible pouvoir éclairant. Supposons en second lieu que le gaz acétylène ait été mêlé avant sa combustion à un volume d'air convenable pour sa combustion complète ; nous avons alors une petite âamme bleue de 2 à 3 cm' de volume, analogue à celle des brûleurs Bunsen. Placée sous un manchon Âuer elle donnera une lumière très vive, environ 50 carcels. Enfin supposons ce gaz acétylène mêlé au volume d'oxygène pur nécessaire pour sa combustion complète et chassons ce mélange sous une pression de 5 m. d'eau à travers un orifice de 0,5 mm. de diamètre. Nous aurons le chalumeau oxyacétylénique, dont la flamme, sous un volume de 0,1 cm', renterme la même quantité de chaleur que la flamme de 100 cm' obtenue dans la combustion à Tair sans mélange préalable. On conçoit à quel point cette concentration de la chaleur augmente l'intensité du chauffage ; le fer fond instantanément comme de Teau au contact du dard de ce chalumeau.
Combostibles liquides. — Les combustibles /{^u/J^^possèdent, au point de vue de la facilité du réglage, les mêmes avantages que les gaz, mais leur emploi présente une difficulté spéciale. Les combustibles liquides d'un prix de revient assez bas pour être employés aux usages industriels : pétroles et goudrons, sont tous des carbures très condensés; ils donnent facilement des dépôts abondants de noir de fumée dans les premières phases de leur combustion. Une goutte de pétrole tombant dans un milieu incandescent s'y transforme de suite en gaz formant une bouffée volumineuse. Le mélange intime de cette masse gazeuse avec la quantité d'air nécessaire pour sa combustion complète ne peut se faire que progressivement. Pendant ce temps, la masse
gazeuse chemine dans le four ; si elle arrive dans des régions froides avant rachèvement de la combustion du charbon, celui-ci s'éteint et se dépose en encrassant les conduits qu'il a bientôt fait d'obstruer. On évite cette difficulté soit en employant des chambres de combustion très volumineuses, dans lesquels les gaz tournoient longtemps avant de s'échapper, de façon à laisser au carbone précipité le temps de brûler complètement, soit, dans le cas de foyers peu volumineux, en pulvérisant très finement le liquide combustible de façon à n'avoir dans sa gazéification que de très petites bulles de vapeur qui se mêlent rapidement à Tair ; ceci exige l'emploi de pulvérisateurs à Tair comprimé ou à la vapeur, dans lesquels les pressions utilisées atteignent jusqu'à 20 atm.
Dans nos pays les combustibles liquides n'ont en fait aucune importance industrielle parce que nous n'en possédons pas de gisement important ; les pétroles d'Amérique et de Russie sont grevés de frais de transport et de droits de douane élevés qui les rendent inutilisables en dehors de certaines industries de luxe, comme celle des automobiles.
Combustibles solides. — L'emploi des combustibles solides donne lieu à des difficultés très graves dues à des causes multiples ; si leur usage est très général, malgré ces inconvénients, cela tient à leur bas prix de revient. Voici les quatre difficultés principales auxquelles on se heurte dans leur emploi :
r** Formation d'oxyde de carbone avec des couches de combustible épaisses ;
2^ Irrégularité des passages offerts à Tair entre les morceaux de charbon;
3® Formation de mâchefer par ia fusion des cendres et obstruction des entrées d'air ;
4^ Distillation de matières volatiles sous la première action de la chaleur et combustion incomplète de ces matières.
Formation d^oxyde de carbone. — La combustion du char-
bon par Tair comprend deux phases successives : Tair arrivant sur du carbone incandescent, donne d'abord la réaction :
C + 0'+4Az' = CO* + 4A2\
La température croît progressivement depuis le point où l*air pénètre dans la masse de combustible, jusque dans la région où la combustion est complète, où il ne reste plus d'air en excès; si Tépaisseur de la couche de combustible n'est pas plus grande, les produits de la combustion sortent avec toute leur chaleur, on a une flamme très chaude.
Si, au contraire, l'épaisseur de combustible est plus considérable^ l'acide carbonique réagit sur le charbon incandescent, en donnant de loxyde de carbone :
CO' + 4 Az» + C = 2CO + 4 hz\
Cette réaction consomme une nouvelle quantité de charbon, mais au lieu de dégager de la chaleur, elle en absorbe une quantité considérable ; la flamme obtenue est bien moins chaude. La quantité finale de chaleur produite par la consommation d'un même poids de charbon est trois fois moindre que dans le cas de la combustion pour Tacide carbonique.
Dans une masse de charbon un peu épaisse, traversée par un courant d'air, nous trouvons donc la succession d'une série de zones jouissant de propriétés différentes. A panir de l'arrivée d'air la température croit progressivement en même temps que la quantité d'acide carbonique augmente et que celle d'oxygène diminue; le milieu gazeux est essentiellement oxydant. On arrive à la zone à combustion complète où la température est la plus élevée ; l'atmosphère est neutre, elle est exclusivement composée d'acide carbonique et d'azote. Puis au delà, l'oxyde de carbone commence à paraître et augmente progressivement en même temps que la température baisse; le courant gazeux devient réducteur. Puis, une fois la transformation d'acide carbonique en oxyde de carbone complète, il ne se produit plus aucun changement. Ceci suppose, bien entendu, que la masse de combus-
tible est en feu depuis un certain temps et qu^elle est arrivée à un régime stable.
Un exemple très net de la succession de ces phénomènes se rencontre dans les bas foyers, fours exclusivement employés autrefois dans la métallurgie du fer. Ils consistent en une fosse rectangulaire, creusée dans le sol, et remplie de charbon de bois; une tuyère plongeante placée à une extrémité lance un courant d^air qui descend à travers la masse du combustible et traverse tout le four dans le sens de sa longueur pour ressortir à Textrémité opposée de la cuve. Au point le plus éloigné de la tuyère, les gaz sont réducteurs ; ils peuvent servir à réduire le minerai du fer, c'est alors Tancienne forge catalane; près de la tuyère, au contraire, la flamme est oxydante et peut servir à oxyder les impuretés de la fonte fabriquée au haut-fourneau, c'est alors le bas foyer comtois, employé encore dans quelques usines de l'Est de la France, et surtout en Autriche. Le même appareil remplit ainsi deux fonctions différentes, suivant la zone utilisée.
Zone à combastion complète. — La position de la zone à combustion complète et par suite à température maxima^ est très imponante à connaître. De sa position dépendent les dimensions données à un grand nombre d^appareils de chauffage : diamètre du haut-fourneau au niveau des tuyères, dimensions des creusets pour la fusion des alliages, épaisseur de la couche de combustible dans les gazogènes et les appareils pour la fabrication du gaz à Teau. La position de cette zone dépend essentiellement de trois facteurs : la grosseur des morceaux de charbon, la température moyenne du foyer à Tinstant considéré^ et enfin la vitesse du courant d'air.
' Dans le cas de températures suffisamment élevées et supérieures à 1.200^ condition toujours réaHsée dans Timmense majorité des appareils de chauffage, les réactions chimiques sont pratiquement instantanées; l'oxygène et l'acide carbonique, aussitôt arrivés en contact avec le charbon, réagissent sur lui. Dans ces conditions la position de la zone à combustion complète est indépendante
de réiévation de la température au-dessus de 1.200^ et de la vitesse du courant gazeux à travers la masse du combustible. Avec des fragments uniformes de i cm. de côté, elle se trouve à une hauteur comprise entre 5 et 10 cm. au-dessus de l'arrivée d'air. Dans les fours (type Sainte-Claire Dé ville) pour l'essai des produits réfractaires, on emploie des creusets de j cm. de hauteur, placés sur un fromage de même hauteur. On réalise dans cette zone des températures supérieures à celle de fusion du platine, pouvant dépasser 1.800°, en employant du charbon de cornues sans cendres, et le brûlant à raison de 3 kg. par décimètre carré et par heure. Pour des fragments de coke d'une dizaine de centimètres, la zone à combustion maxima peut être comprise entre o 50 m. et I m. à partir des tuyères; c'est là ce qui règle le diamètre des hauts-fourneaux à ce niveau. Pour avoir jusqu'au centre du creuset une température très élevée, il faut qu'en aucun point de la section la production d'oxyde de carbone ne soit déjà importante.
On f>eut donc admettre, au moins dans une première approximation que, dans un fourneau très chaud, la distance de la zone à combustion complète de l'entrée d'air est proportionnelle à la grosseur des fragments de charbon et sensiblement égale à 10 fois leur diamètre.
Si la température est inférieure à i .000**, l'air et plus encore l'acide carbonique ne réagissent pas instantanément sur le charbon ; la réaction exige un certain temps pour se produire. Dans ce cas le niveau de la zone de combustion se déplace avec la vitesse du courant gazeux, elle s*éloigne d'autant plus de Tarrivée d'air, que la vitesse est plus considérable. Par exemple, dans la fabrication du gaz à l'eau, avec du coke de 5 cm. de diamètre, et une température inférieure à i.ooo*^, on arrive à éloigner la zone à combustion complète jusqu'à 2 m. de l'entrée d'air. Bien entendu ce régime intensif de soufflage ne peut pas être prolongé sans que la température s'élève rapidement et alors la zone de combustion reprend peu à peu son épaisseur normale de 0,50 m.
Pour obtenir l'efiet calorifique maximum dans le chauffage
38 INTRODUCTIOlî A L*ÈTUDE DE LA MÉTALLURGIE
avec du charbon, il faut limiter l'épaisseur de la couche de combustible au niveau de la zone à combustion complète. On a soin, sur les grilles employées dans le chauffage des chaudières à vapeur, de mettre une épaisseur très mince de combustible, 10 à 15 cm. seulement. Cette épaisseur est inférieure à celle qui a été donnée plus haut, calculée exclusivement pour des morceaux de charbons classés de grosseur uniforme. Dans le chauffage des chaudières, il y a, à côté de gros morceaux, beaucoup de poussier ; on est obligé en outre de réserver un excès d'air disponible par la combustion des matières volatiles dégagées par la houille.
Quelles que soient les précautions prises, on n'arrive jamais, en brûlant du charbon sur une grille, à marcher avec une flamme neutre, on a généralement un grand excès d'air, la moitié au plus de l'oxygène s'étant combiné au charbon pour donner de l'acide carbonique. Il est impossible en effet d'avoir dans tous les points d'une masse de combustible une répartition uniforme des vides; là ou ils sont plus étroits, la formation de Tacide carbonique est plus rapide, elle est moindre dans les espaces plus larges. Si Ton prenait une épaisseur de charbon suffisante pour obtenir en moyenne- la combustion complète, la grille, en bien des régions, donnerait de l'oxyde de carbone, occasionnant ainsi une perte inutile de combustible. Pour la même raison, la zone à température maxima, dans une masse de combustible incandescent ne forme pas un plan géométrique avec des chutes rapides de température de part et d'autre; la hauteur de cette zone au-dessus de rentrée d'air peut varier du simple au double d'un point à l'autre de la masse de charbon. Elle est donc disséminée dans un volume assez grand dont la température moyenne est beaucoup moins élevée que si cette zone était réduite à un plan géométrique.
Irrégularité des passages d'air. — Indépendamment de l'étalement de la zone à température maxima, l'irrégularité des passages existant entre les morceaux de charbon donne lieu à des difficultés très sérieuses ; la plus grave est celle qui se rattache au
PHÈNOMÈKBS DE COMBUSTION 39
passage des gaz contre les parois des fours. Au milieu de la masse de combustible^ les fragments de charbon, enchevêtrés les uns dans les autres, oâfrent seulement au passage des gaz des ouvertures étroites et très contournées, lui opposant une grande résisunce. G>ntre les parois, les fragments de charbon s*arcboutent par leurs angles et laissent des vides relativement très grands, à travers lesquels le passage de l'air est beaucoup plus facile. La combustion est beaucoup plus active contre les parois; c'est à la fois une cause de dégradation dangereuse pour les parois et un obstacle à la répartition uniforme de la température, indispensable quand il s'agit, par exemple, de chauffer des creusets noyés dans le combustible.
A Tintérieur même de la masse de charbon, il y a toujours des passages plus faciles suivant lesquels la combustion est plus active ; cette combustion locale, en brûlant plus vite le charbon, augmente les vides et produit ce que l'on appelle des cheminées. Cela est particulièrement dangereux dans les gazogènes; l'air peut arriver par ces passages jusque dans la masse de gaz combustible formé au-dessus du charbon et en provoquer la combustion anticipée.
Les mêmes inconvénients se manifestent d'une façon plus marquée encore dans certains appareils de chauffage, comme les fours à chaux, les hauts-fourneaux, où le combustible est. mêlé aux matières à cuire. Par une bonne marche de ces appareils, il faudrait que les zones isothermes fussent des plans parallèles et horizontaux. On n'arrive presque jamais à réaliser cette condition ; on voit très souvent au contraire dans les fours à chaux la zone à combustion complète s'incliner suivant un plan traversant le four en diagonale avec une dénivellation pouvant atteindre une dizaine de mètres d*un côté à l'autre du four. La grande ditâculté de conduite de ces appareils résulte de ce qu'ils sont toujours dans un état d'équilibre instable; dès qu'ils se dérangent en un points le dérangement tend à s'exagérer encore. Si le tirage est plus actif dans une région, l'énergie plus grande de la combus« tion y accélère encore le tirage et renforce ainsi l'irrégularité
première. Un des ingénieurs les plus réputés dans la conduite des hauts-fourneaux, M. Magery, exprimait une idée semblable par cette boutade humoristique : « Le haut-fourneau, disait-il, est un monsieur très susceptible, on doit toujours lui parler le chapeau à la main, et éviter de le contrarier ».
Cendres. — Les cendres laissées par les combustibles naturels solides s'opposent à la circulation de l'air. Lorsqu'elles restent pulvérulentes « soit par leur infusibilité naturelle, soit par la basse température du foyer, elles constituent, si on les laisse en place, un obstacle absolu au passage de Tair; mais, sous cet état, il est très facile de s*en débarrasser ; en secouant légèrement le combustible, on les fait immédiatement tomber à travers les grilles. Les cendres pulvérulentes ne sont jamais considérées comme un inconvénient au point de vue de la combustion proprement dite, elles ne deviennent nuisibles que lorsqu'elles sont entraînées avec des gaz combustibles, dans des appareils où leur présence est dangereuse, comme dans les moteurs à gaz, ou les récupérateurs des fours Siemens.
Le plus souvent, les cendres de houille fondent en donnant ce que Ton appelle des mâchefers, matières plus ou moins agglomérées, et prennent une grande dureté au refroidissement. Lorsque les mâchefers restent sous forme de grenailles, ils constituent une masse discontinue à travers laquelle Tair peut passer» comme à travers le combustible lui-même ; leur présence n'est pas nuisible^ ils n'arrêtent pas la combustion, et le décrassage ne présente pas de difficultés exceptionnelles. Mais ce résultat ne peut être atteint que si la température de la zone à combustion complète reste inférieure à la fusion complète des cendres ; cette température, comme nous le verrons, varie de i.ioo** à 1.400® suivant les qualités de houille. Toutes les fois que la combustion est très active, la température s'élève davantage parce que la chaleur de la zone la plus chaude n'a pas le temps de se diffuser par conductibilité dans les tranches voisines. Dans les foyers de chaudières à vapeur, et plus particulièrement dans les foyers de loco-
motives, cette fusion est à peu près complète ; il se forme alors au refroidissement, des galettes continues de mâchefer qui s'opposent à la circulation de Tair et ne permettent plus de continuer la combustion. Cest là un inconvénient énorme, comme on peut s*en rendre compte par les exemples suivants : Dans les trains rapides, on est obligé de changer de locomotive toutes les trois ou quatre heures, parce que, pour décrasser la grille encombrée de mâchefer^ il faut jeter bas tout le feu contenu dans le foyer. Avec les appareils à feu continu, comme les chaudières ordinaires, on est obligé, au moment du décrassage, d'ouvrir en grand les portes, de rejeter de côté le charbon, pour enlever les galettes de mâchefer; on est ainsi forcé d^arrèter le chauffage pendant un temps parfois assez long. Certaines fabrications ne peuvent tolérer des arrêts semblables du chauffage; à Limoges, par exemple, pour la fabrication de la porcelaine, on fait venir à grands frais des charbons anglaisspéciaux, renfermant moins de 3 0/0 de cendres, qui permettent un chauffage continu de 48 heures, impossible avec des charbons ordinaires.
Enfin, ces mâchefers, en se formant contre les parois de certains appareils de chauffage, produisent des désagrégations suffisantes pour les mettre hors de service; si la température est suffisamment élevée, la paroi réfractaire fond au contact du mâchefer. Plus souvent le mâchefer reste collé à la paroi et rétrécit peu à peu le diamètre intérieur du four, jusqu'à le mettre hors de service, c'est ainsi que périssent la plupart des gazogènes.
Matières ToUtiles. — Les combustibles naturels ou les bois, renferment une quantité considérable de matières volatiles qui se dégagent sous la première action de la chaleur^ en dehors m&me de la présence de l'oxygène nécessaire à la combustion ; la proportion de ces matières volatiles peut être de 30 0/0 dans les houilles grasses; elles sont alors formées principalement de gaz et de goudron possédant un grand pouvoir calorifique. Le bois renferme jusqu'à 75 0/0 de son poids de matières volatiles, principalement formées d'eau. Lorsqu'on alimente un foyer en combustion en y
jetant de nouvelles quantités de houille ou de bois, les matières volatiles distillent rapidement en abaissant la température de la âamme, par le fait même de leur évaporation, et sans utilisation de leur pouvoir calorifique, parce que le débit d'air, réglé pour la combustion moyenne ne peut suffire à brûler ce brusque appoint de matières combustibles ; indépendamment de la perte qui en résulte, les goudrons et gaz de houille se décomposent sous Faction de la chaleur, en donnant du noir de fumée qui encrasse les cheminées et conduits de fumée, souille l'atmosphère jusqu^à de grandes distances des usines, et provoque les plaintes de tous les voisins. On peut remédier, dans une certaine mesure, à l'inconvénient résultant de cette combustion incomplète, au moyen d'appareils de chargement continu ; ils ont seulement Tinconvénient d'être coûteux et d'un fonctionnement délicat.
Au moment de la distillation de la houille^ il se produit généralement un autre inconvénient, parfois très gênant : la houille fond partiellement au commencement de sa distillation et se solidifie de nouveau en donnant des gâteaux de coke très durs, lorsque la distillation est achevée; cette agglomération est parfois un obstacle absolu au fonctionnement de certains appareils de chauffage ; l'emploi de la houille dans un haut-fourneau ou dans un four à chaux bloquerait toute la charge et s'opposerait à sa descente; dans un gazogène, on remédie à cet inconvénient par un piquage continu de la masse incandescente de combustible, ce qui entraîne une importante dépense Je main-d'œuvre.
Transformations du combastibla. — En raison de toutes ces difficultés, auxquelles expose l'emploi des combustibles solides, on leur fait souvent, avant l'emploi, subir des transformations variées, que nous aurons l'occasion d'étudier en détail; par exemple, on expulse les matières volatiles du bois et de la houille par calcînation en vase clos et Ton obtient ainsi le coke et le charbon de bois^ seuls combustibles employés aujourd'hui pour lobtention de la fonte dans les hauts-fourneaux. D'autres fois on pulvérise le combustible à l'état de poussière impalpable de façon
à pouvoir le projeter avec le courant dair en proportion rigoureusement dosée ; les fours tournants à ciment sont ainsi chauffés, Plus souvent encore, on transforme ce combustible solide en combustible gazeux; scit par distillation dans la fabrication du ga:^ d'àlairage ; soit par action de la vapeur d'eau, dans la fabrication du ga:^ à Veau ; soit par combustion incomplète en un mélange d'oxyde de carbone et de gaz à Teau, pour obtenir le gaz connu sous le nom de ga:^pauvrey ou gaz^ de gazogène. Ce gaz combustible est employé aujourd'hui dans toute la métallurgie de l'acier, en verrerie et dans un grand nombre d'autres industries nécessitant l'intervention de températures élevées.
Tous ces procédés de transformation sont assez onéreux; on peut admettre, en nombre rond, qu'ils majorent de 25 0/0 environ le prix de la houille; mais ils donnent des combustibles tellement plus avantageux à l'emploi, que ce supplément de dépense est vite regagné.
CSombnstion leiit«. — La combustion, telle que nous l'utilisons dans les appareils de chauffage industriel, appartient à la catégorie de ce que nous appelons les combustions vives. L'air aussitôt en contact avec le carbone incandescent s y combine sans aucun retard appréciable. Cette combustion rapide est accompagnée d'un grand dégagement de chaleur rendu apparent par l'incandescence du charbon.
Dans d'autres circonstances au contraire, la combustion ne se produit que lentement, longtemps après la mise en présence de Toxygène et du charbon. Le bois abandonné à l'air se pourrit, s'oxyde et finit par disparaître complètement en s'évaporant à l'état d'acide carbonique et de vapeur d'eau. C'est une combusiion lente. Il en est de même de la combustion de nos aliments au contact de l'oxygène amené dans nos poumons par la respiration. Â chaque expiration il ressort plus des 9/10 de l'oxygène entré à linspiration précédente. Il y a eu combinaison, mais elle n'a pas été immédiate, elle est restée incomplète.
Tous les corps combustibles n'éprouvent pas une combustion
lente dès la température ordinaire, mais ils le font tous à panir d'une certaine température plus ou moins élevée et intérieure à celle de combustion vive.
Le tableau suivant donne^ pour les trois variétés de carbone pur : i^' la température minima de combustion lente, c'est-à-dire la température la plus basse à partir de laquelle on peut observer un dégagement appréciable d acide carbonique au moyen d'expériences de précision moyenne ; 2° la température de combustion rapide, c'est-à-dire une température à partir de laquelle la réaction est assez rapide pour que le charbon s'échauffe progressivement jusqu'à prendre feu, c'est-à-dire arrive à la combustion vive instantanée. Cette température de combustion rapide est d'ailleurs extrêmement variable avec les conditions de l'expéftence. Elle se confondrait avec celle de combustion lente commençante, si toutes les précautions étaient prises pour s'opposer à la diffusion à l'extérieur de la chaleur dégagée par la combustion. Les expériences de Moissan auxquelles les chiffres suivants ont été empruntés ont été faites sur quelques fragments de charbon placés isolément dans un tube de verre ou de porcelaine chauffé sur une rampe à gaz, c'est-à-dire dans des conditions paniculièrement favorables à la diffusion de la chaleur à l'extérieur.
Température de combustion.
Variétés de carbone Lente Rapide
Diamant 750** 800*
Graphite 6500 700*
Charbon de bois .... 100** 450*
Pour le charbon de bois les résultats sont extrêmement variables avec la température à laquelle ce corps a été calciné avant l'expérience. Les chiffres donnés se rapportent à du charbon préparé à basse température, vers 400^. Le charbon chauffé à 1.200° se rapproche, comme inflammabilité, du graphite.
Oxydation de la houille. — La houille commence à s'oxyder lentement dés la température ordinaire, plus ou moins rapide-
ment, suivant les variétés; les houilles les plus oxygénées et les plus riches en matières volatiles s'oxydent en général beaucoup plus rapidement; les anthracites, au contraire, ne s'oxydent pour ainsi dire pas à la température ordinaire. Les réactions produites dans cette oxydation, sont beaucoup plus complexes qu'avec le carbone.
Le premier phénomène d'oxydation de la houille, est une absorption d'oxygène, elle augmente de poids; à ioo<>, cette oxydation est beaucoup plus rapide; cenains poussiers de houille augmentent en 24 heures de 10 0/0 de leur poids. Ces phénomènes ont été l'objet de recherches très complètes, de M. Fayol (i). Cette première fixation d*oxygène est suivie d'une oxydation plus complète avec dégagement d'acide carbonique et de vapeur d'eau, le charbon recommence de nouveau à diminuer de poids et à la longue, la diminution devient considérable. Un charbon de Silésie, broyé en poudre fine et conservé pendant 6 mois à la température du laboratoire, avait perdu 50 0/0 de son poids, comme le montrent les deux analyses ci-dessous, rapportées au combustible frais et au combustible oxydé. L'invariabilité du poids des cendres montre que dans l'intervalle des deux analyses il n'y avait pas eu de perte de matière.
Ëlémants Charbon Trais Charbon os y dé
Carbone 70 26,4
Hydrogène 4,2 1,6
Oxygène et azote . . . 9,6 4,4
Cendres 15,7 15.7
Total .... 99' 5 48,1
A la température de 100**, la perte de poids commence parfois à se manifester après deux jours et elle continue à marcher assez rapidement. A la température de 20^^ l'oxydation plus active donne immédiatement de l'acide carbonique et de la vapeur d'eau
(i) Fayol, Buî. Soc. Ind. Min. [2] VIII, 487 à 621 (1879).
et le poids commence rapidement à diminuer. Cette oxydation, bien entendu , est un phénomène essentiellement superficiel ; elle est donc beaucoup plus intense sur les poussières fines que sur le charbon en morceaux ; elle n'est cependant pas négligeable avec ces derniers, parce que la houille est toujours un peu poreuse et que l'oxygène peut pénétrer dans les morceaux.
Les courbes ci-contre (fig. i), empruntées aux expériences de M. Fayol montreùt les relations de la perte de poids totale avec la fixation d'oxygène et la perte de matière par combustion ou dégagement d'eau hygrométrique.
Nombre de jours.
tm Al
