CHAPITRE III
LES COMBUSTIBLES DES GAZOGÈNES
DÉTERMINATIONS CALORIMÉTRIQUES
1. Combustibles des gazogènes. — Nous désignerons sous le nom de combustibles, des corps solides, liquides ou gazeux, qui sont capables de brûler au contact de l'air en dégageant de la chaleur.
Nous laisserons ici de côté les combustibles liquides (pétroles, huiles lourdes) pour ne nous occuper que des combustibles solides plus particulièrement employés dans les gazogènes.
Les combustibles sont généralement d origine purement organique ou végétale et comprennent toutes les variétés d'anthracite, de charbon de terre, de lignite, de bois, de coke, de charbon de bois.
2. Composition des combustibles solides. — Combustibles gras. — Combustibles maigres. — Tous ces combustibles dérivent de la cellulose. Ils sont formés principalement :
1° De carbone, d'hydrogène, d'oxygène, d'azote. Ces divers éléments sont combinés entre eux et donnent, quand ils sont chauffés en vase clos, des produits volatils, des hydrocarbures qui distillent et constituent des combustibles gazeux. Dans les analyses des combustibles solides employés dans les gazogènes, on indique, la plupart du temps, sous le nom de teneur en matières volatiles, la proportion de ces produits que Ton peut recueillir par distillation. Nous verrons que la connaissance de cette donnée a une grande importance au point de vue de l'utilisation des combustibles dans les gazogènes ;
2° De soufre et de phosphore;
3° De matières inertes (silice, alumine, alcalis,. terres alcalines, oxydes de fer, etc.).
Ces dernières engendrent les cendres ou résidus.
Industriellement, on nomme combustibles gras ceux dont les résidus sont formés de morceaux collés les uns aux autres, et combustibles maigres ou secs ceux dont les résidus sont composés de morceaux indépendants ayant gardé la môme forme qu'avant la combustion.
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d. Puissance calorifique absolue. — Dans l'étude des gazogènes, il sera important de connaître la quantité de chaleur dégagée par un combustible brûlant dans une quantité d'air suffisante pour qu'il y ait combustion complète.
Nous appellerons puissance calorifique absolue supérieure^) d'un combustible brûlant dans une quantité d'air nécessaire et suffisante pour la combustion complète, le nombre de calories-kilogrammes dégagées par un kilogramme de ce combustible, la vapeur d? eau produite dans la réaction étant supposée condensée.
Si la quantité d'eau produite dans la réaction est supposée en vapeur à la température de 100°, la quantité de chaleur dégagée par un kilogramme de combustible s'appelle la puissance calorifique absolue inférieure.
En Allemagne, une convention a été établie entre YUnion des ingénieurs et les Associations de surveillance de chaudières à vapeur. D'après cette convention,
Chaleur de combustion (Verbrennungsioàrme) se rapporte à une combustion dont les produits sont de l'anhydride carbonique et de Veau liquide ramenée à la température du calorimètre ;
Pouvoir calorifique (Heizwert) se rapporte à la combustion dont les produits sont de l'anhydride carbonique et de Veau en vapeur à 100°.
Dans le cas actuel, la chaleur de combustion correspond donc à la puissance calorifique absolue supérieure et le pouvoir calorifique à la puissance calorifique absolue inférieure.
En Autriche, la chaleur de combustion est appelée pouvoir calorifique supérieur (Obérer Heizwert), et le pouvoir calorifique pouvoir calorifique inférieur (Unterer Heizivert) ( 2 ).
Rendons-nous compte de la différence qui existe entre les deux puissances calorifiques absolues inférieure et supérieure, en supposant que l'eau condensée soit ramenée à la température de 15 e C.
Pour un combustible renfermant 1 0/0 d'hydrogène, 1 kilogramme donnera te ,09 d'eau, dont la condensation dégagera 48,33 calories-kilogrammes ; le refroidissement jusqu'à 15° dégagera 7,65 calories-kilogrammes, soit en tout 55,98 calories-kilogrammes (622 calories pour la condensation et le refroidissement de 100° jusqu'à 15° de 1 kilogramme d'eau ; en Allemagne, on prend 600 calories).
Si nous admettons pour une houille, par exemple, une puissance calorifique absolue supérieure de 7.500 calories-kilogrammes, la différence entre les deux puissances calorifiques représentera, pour un combustible à 6 0/0 d'hydrogène, 335,88 calories-kilogrammes, soit 4,47 0/0 de la puissance calorifique supérieure ; pour un combustible à 4,5 0/0 d'hydrogène (valeur moyenne), la différence sera de 251,9 calories-kilogrammes, soit 3,3 0/0 de la puissance calorifique supérieure.
4. Puissance calorifique spécifique. — On considère souvent la puissance calorifique spécifique, qui est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète de 1 litre du combustible. Nous n'aurons pas à en parler ici.
La seule bonne méthode susceptible de donner avec exactitude la puissance calorifique absolue d'un combustible est la méthode calorimétrique.
(i) Nous employons cette dénomination de puissance calorifique absolue, que nous trouvons dans Y Annuaire teck* nique de H. Rodieh (fascicule des Combustibles), afin de distinguer cette quantité du pouvoir calorifique d'un combustible gazeux; la puissance calorifique est rapportée au kilogramme de combustible solide, et le pouvoir calorifique au mètre cube de combustible gazeux.
( 2 ) Arth, Sur l'évaluation du pouvoir calorifique des houilles et autres combustibles hydrogénés {Revue de Métallurgie, 1906; et Bulletin de la Société d'Encouragement pour l'industrie nationale; mémoires originaux de la Revue de Métallurgie, 1" octobre 1906).
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Gaz PAUVftEs
5. Principe de la méthode calorimétrique permettant la détermination de la puissance calorifique absolue supérieure d'un combustible. — Dans une capacité à parois résistantes, on place une matière combustible; on introduit ensuite de l'oxygène sous une pression convenable et on ferme exactement l'enceinte. Si Ton immerge ensuite l'appareil dans l'eau d'un calorimètre, et si on enflamme le combustible par un artifice quelconque, le charbon brûle complètement et presque instantanément. La chaleur dégagée se transmet sans aucune déperdition à l'eau du calorimètre, et on peut l'estimer comme dans toutes les opérations calorimétriques.
Tel est le principe de la méthode de la bombe calorimétrique de MM. Berthelot et Vieille. M. Mahler a transformé cet appareil de manière à le rendre industriel ( 1 ).
6. Description de l'appareil de M. Mahler. — L'appareil de M. Mahler (fig, 25) se compose essentiellement d'un obus B, d'un calorimètre D avec enceinte isolatrice À remplie d'eau et agitateur S.
Fig. 25. — Appareil pour la détermination industrielle de la puissance caloriûque absolue supérieure des combustibles.
A, Enveloppe isolante; — B, Obus en acier émaillé; — C, Capsule en platine; — D, Calorimètre; — B, Électrode; — F, Fil de fer servant d'amorce; — G, Support de (l'agitateur; — K, [Mécanisme de l'agitateur; — S, Agitateur; — L, Levier de l'agitateur; — M, Manomètre; — O, Tube d'oxygène; — P, Générateur d'électricité; — T, Thermomètre; — Z, Pièce servant d'étau ; — C, Dispositif pour la combustion des liquides.
L'obus est en acier supérieur doux, forgé, dont les parois ont 8 millimètres d'épaisseur. Cet obus est nickelé extérieurement; intérieurement, il est préservé par une couche d'émail contre l'action corrosive de l'acide azotique qui se forme toujours pendant la combustion. L'obturation de l'obus se fait par un bouchon en fer à vis qui vient serrer une bague de plomb enchâssée dans une rainure circulaire. Le bouchon porte un robinet à vis conique
(*) Ce n'est qu'à partir de la création du calorimètre de Favre et Silbermann que les recherches sur la puissancecalorifique des combustibles ont donné des résultats ayant quelque précision. Avec cet appareil, Scheurer-Restner et Meunier ont fait un grand nombre de déterminations (Annales de Chimie et de Physique, 4; série, t. XXI et XXVI). De 1882 à 1891, le D r Bunte s'est servi dans le même but d'un calorimètre de Fischer qui ne diffère guère de l'appareil de Favre et Silbermann. Mais le meilleur appareil qui puisse être utilisé est certainement la bombe calorimétrique de MM. Berthelot et Vieille (Annales de Chimie et de Physique, 1885 : Méthode pour mesurer la chaleur de combustion du charbon et des composés organiques). Mais l'appareil employé par ces savants est doublé à son intérieur d'une chemise en platine de plusieurs milliers de francs ; M. Mahler a eu l'heureuse idée de mettre cet appareil à la portée de tous les laboratoires industriels en rémaillant à l'intérieur [Mahler, Contribution à l'étude des combustibles; détermination industrielle de leur pouvoir calorifique (Bulletin de la Société d'Encouragement à l'Industrie nationale, t. XCI, 1892, p. 319)].
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dit robinet à pointeau, qui sert à l'introduction de l'oxygène. La vis conique est en ferronickel, métal presque inoxydable. Une électrode, bien isolée et prolongée à l'intérieur par une tige de platine, traverse le bouchon. Une autre tige de platine, également fixée au bouchon, soutient la capsule plate où Ton place le combustible à essayer. La figure 26 montre les détails de cette partie de F appareil.
On enflamme le combustible en le mettant en contact avec une petite spirale en fil de fer qu'un courant électrique brûle au moment voulu et qui joue ainsi le rôle d'amorce.
Le calorimètre est en laiton mince; à cause du grand volume de l'obus, sa capacité est considérable. On y verse généralement de 2 kilogrammes à 2 k ',500 d'eau, éliminant ainsi les causes d'erreur qui pourraient provenir de la porte de quelques gouttes d'eau et de l'évaporation, qui en été ne dépasse pas 1 gramme par heure. L'emploi de l'enceinte isolatrice A réduit h presque rien la correction due à la perte de chaleur de l'appareil pendant l'opération. Par ces conditions, on peut permettre à un industriel de faire sans difficulté de la calorimétrie de précision.
La figure 25 indique nettement quelles sont les autres parties de l'appareil Mahler.
Fio. 26. — Appareil de Mahler pour la détermination de la puissancecalorifique absolue des combustibles.
Coupe de la chambre de com-
up<
ustion.
R, Robinet pointeau en ferro-nickel; — S, Stufflng-box à éloupe; — P, Rondelle en plomb.
7. Mode opératoire pour déterminer la puissance calorifique d'un combustible. — La méthode à suivre pour déterminer au moyen de cet appareil la puissance calorifique absolue d'un combustible est la suivante.
I. On pèse et grammes (généralement 1 gramme) de la substance à essayer (*) dans la capsule, on noue à l'électrode et au support de la capsule un petit morceau de fil de fer d'un poids connu qui sert d'amorce. Après avoir introduit le tout dans l'obus, on serre fortement le bouchon de la chambre de combustion, que Ton saisit à cet effet entre les mâchoires d'un étau.
II. On met le robinet h pointeau de l'obus en communication avec le tube d'oxygène. Ouvrant ensuite avec précaution le robinet de celui-ci et le robinet à pointeau de l'obus, on laisse entrer l'oxygène jusqu'à ce que le manomètre marque la pression jugée convenable, 20 à 25 atmosphères environ. Après avoir fermé le robinet du tube à oxygène, on ferme aussi très exactement le robinet à pointeau et on desserre l'écrou du tube en cuivre, qui fait communiquer l'obus avec le réservoir d'oxygène.
On a soin de ne pas peser la substance et en particulier le charbon en. poudre trop fine ; il faut aussi introduire lentement l'oxygène, de peur de soulever, par le courant de gaz, la matière qui se trouve dans la capsule.
III. L'obus ainsi préparé est placé dans le calorimètre. On ajuste le thermomètre et l'agitateur. On verse l'eau qu'on a préalablement jaugée. On agite quelques minutes le liquide afin que l'ensemble du système se mette en équilibre de température. On commence alors l'observation.
(!) Le prélèvement de l'échantillon du combustible à étudier est une opération délicate et qui demande à être conduite avec soin.
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IV. On note la température de minute en minute pendant quatre ou cinq minutes, et où fixe ainsi la loi que suit le thermomètre avant l'inflammation.
V. On met le feu en approchant de lobus les électrodes d'une pile ; une des électrodes est mise au contact d'une borne correspondant à la tige de platine E (fig. 26) ; l'autre pôle est appliqué en un point quelconque du robinet à pointeau.
L'inflammation a lieu aussitôt ; la combustion est presque instantanée ; mais la transmission de la chaleur à l'eau du calorimètre prend quelques minutés.
VI. On note la température une demi-minute après la mise en feu, puis à la fin de la minute d'inflammation. On continue les observations thermométriques de minute en minute, jusqu'au moment où le thermomètre commence à descendre régulièrement. C'est le maximum.
VU. Enfin, on continue les observations thermométriques pendant cinq minutes environ, pour déterminer la loi que suit le thermomètre après le maximum.
8. Correction calorimétrique dans les appareils Mailler. — On a tout ce qu'il faut pour effectuer la correction due à la chaleur dégagée par le calorimètre pendant l'accroisse ment de température qui précède le maximum. Celte chaleur dégagée est d'ailleurs très faible parce que, d'une part l'expérience dure peu de temps; et, d'autre part, les | variations de la température de l'eau du calorimètre sont très faibles, grâce à la masse considérable de celle-ci. De ses expériences M. Mahler a déduit la règle empirique suivante qui, dans tous les appareils analogues au sien, permet de calculer la correction calorimétrique.
Supposons qu'avant l'inflammation on note les valeurs suivantes pour les températures marquée^ par le thermomètre.
