CHAPITRE PREMIER

CONSIDÉRATIONS GENERALES SUR LA CALCINATION DES PIERRES CALCAIRES, ET SUR l'eMPLOI DES COMBUSTIBLES.

De la décomposition du sous-carbonate de chaux par la chaleur.

§ 1". La pierre calcaire est un sous-carbonate de chaux, plus ou moins mélangé d'autres substances qu'il est inutile de spécifier en ce moment. Pour la rendre propre à la confection des mortiers, il faut la calciner, ou, autrement dit, la débarrasser par la chaleur de i'acide carbonique qu'elle contient. Elle perd alors environ les yj de son poids.

C'est au terme de la chaleur rouge que commence la décomposition. Durant ce phénomène, il s'établit une lutte entre deux forces moléculaires : l'une qui sollicite l'acide carbonique à passer à l'état gazeux, et l'autre qui le retient à la base calcaire. Cette dernière force augmente, comme toutes les affinités chimiques, à mesure que l'opération avance; si donc la température n'augmente pas en même temps, la force expansive du gaz sera bientôt équilibrée par son affinité pour la chaux, et il n'y aura plus de raison pour que cet é([uilibre soit rompu. Ainsi, on ne peut atteindre au résultat voulu en remplaçant l'intensité de la chaleur par la durée de son application .

D'autre part, ïa difficulté de la calcination est à peu près indépendante de la quantité d'acide restant à dégager j car n'y eùt-il qu'un seul atome de gaz, pour lui donner une force expansive suffisante, il ne faudrait pas moins s'élever par tous les degrés successifs de température capables de produire une décomposition presque complète du carbonate pris à l'état ordinaire. Telle est l'interprétation d'un effet qu'on a beaucoup exagéré, en lui appliquant mal à propos ce dicton populaire : On hvûlerait une foret entière avant dachever une calcination interrompue. II s'agit alors non de ce qui arrive à im fragment calcaire isolé, car il y aurait à la fois erreur de fait et vice d'expression , mais de toute une fournée, abandonnée trop tôt par une circonstance quelconque. La question est donc tout à fait différente; elle se rattache, comme on le verra plus tard, à une cause purement mécanique.

Des causes qui relardent le de'gagement de l'acide carbonique.

§ 2. A la difficulté de la décomposition chimique s'en joignent d'autres qui dépendent de la conductibilité et de l'état de division du calcaire. Entrons à ce sujet dans quelques détails.

Un corps frappé extérieurement par ïa chaleur ne s'échauffe pas d'une manière uniforme dans toute sa masse. La transmission du calorique se fait de la surface vers le centre par un rayonnement de molécule à molécule, proportionnel aux différences de température entre les couches successives, La vitesse de cette transmission , qu'on nomme conductibilité, n'est pas la même pour tous les corps; elle est très-faible dans le carbonate de chaux ; et sa valeur relative dans ce cas n'est pas, suivant M. Dcspretz, - de celle de l'or. Si donc les fragments calcaires sont d'une épaisseur considérable, la différence de température entre le centre et la surface pourra être telle, que d'une part la calcination soit terminée, et que d'autre part elle soit à peine commencée. Pour la compléter.

il faudra conséquemment prolonger i'application de la clialeur, et même accroître son intensité.

En second lieu , à mesure que la décomposition se propage vers le centre , l'acide carbonique doit traverser des couches de plus en plus épaisses : cet obstacle peut être assimilé à une augmentation d'affinité, et exige de même une augmentation de force élastique ou de température.

De là vient que du calcaire, broyé en poudre ou à la grosseur d'une noix , n'a besoin d'être exposé que pendant une heure ou deux à un feu de forge; que, dans les fours à chaux ordinaires, on ne manque jamais de placer les blocs les plus volumineux dans les parties de plus vive incandescence; qu'enfin un même four, avec des calcaires de porosité ou de friabilité différente, conduit à des dépenses très-différentes en combustible et en durée de calcination.

La nature plus ou moins avantageuse du calcaire dépend des localités; sa réduction en petits fragments coûterait quelquefois plus en main-d'œuvre ((u'elle n'économiserait en combustible : ainsi, on doit compter généralement que la température à produire dans un four est bien supérieure à celle qu'exige la décomposition moléculaire.

De l'influence acce'Ie'ratrice des hautes températures.

§ 3. Par cela même que la conductibilité des corps est imparfaite , la température de la pierre calcaire ne saurait être égale à celle du courant de flamme ou gaz chaud dans lequel elle est plongée, et qui varie d'un instant à l'autre. Il est aisé cependant de faire voir que, si l'on augmente progressivement cette dernière température, la première s'accroîtra suivant une autre progression plus rapide. En effet , d'après les recherches de MM, Dulong et Petit, un corps à la température 6, plongé dans im milieu gazeux à la température B-{-t, s'échauffe de telle manière qu'en appelant V la vitesse de la transmission , ou quantité de chaleur cédée dans l'unité de temps, on a

Dans cette équation, 7n et fi sont des coeflicients constants pour un même corps ; a= 1,007 7 pour tous les corps, et E exprime l'élasticité du milieu gazeux ^ Des deux termes du second membre, le premier est relatif à la chaleur rayonnée, et le dernier à la chaleur transmise par contact immédiat; or, dans i'un l'excès de température t se trouve en exposant de a; dans l'autre il est affecté d'un exposant >■ 1; enfin, la température 6 facilite elle-même le rayonnement, puisque ô est aussi en exposant de a; donc les valeurs du V augmentent bien plus rapidement que celles de ô -+- 1.

Le carbonate de chaux se décompose d'autant plus vite, que la force expansive de i'acide carbonique est plus considérable : or cette force expansive est directement proportionnelle à la température de la pierre ; donc , en définitive, le propre des hautes températures de la flamme sera d'accélérer la calcination comme chauffage.

On verra plus loin que les mêmes circonstances sont favorables à l'effet utile du combustible employé. Malheureusement à côté de ces avantages se trouvent quelques inconvénients. Les considérations suivantes en fourniront la preuve.

De l'influence des corps argileux mêlés au calcaire.

§ 4. Les calcaires à chaux maigres ou hydrauliques sont mélangés de silice, d'alumine, de magnésie, d'oxide de fer, etc. Après la calcination, et même avant qu'elle soit complète, ces substances ne sont plus simplement mêlées, mais combinées avec la chaux, et solubles comme elle dans les acides. H y a donc eu réaction chimique, ou affmité moléculaire , développée à une température plus faible que celle qu'on doit atteindre ordinairement. Mais alors l'argile , l'oxide de fer, etc., ayant de i'affniité pour la chaux, tendent par

1 L'exposant de E change avec ia nature du gaz; celui que nous avons donne', 0,45, se rapporte à l'air atmosphérique : il faudrait prendre 0,38 pour rhydrogcnc , 0,517 pour l'acide carbonique , etc.

cela même à se substituer à l'acide carbonique, qui n'entre pour rien dans la nouvelle combinaison; ils ajoutent un effort à celui de la chaleur; ils accélèrent la calcination.

Au delà de ce terme, l'alumine, la magnésie, l'oxide de fer, pris ensemble ou isolément, ne paraissent pas avoir d'effet bien sensible sur la chaux; mais l'addition de la silice, même en très-petite dose, est une cause déterminante de f2Yr?/?ca/2o?;. Quel que soit le degré d'avancement de celte vitrification, il n'en résulte pas moins une altération notable dans les qualités de la chaux : il importe donc, quand on emploie des calcaires argileux, de modérer à temps i'intensité de la chaleur. La forme du four rend souvent la chose difficile; mais, pour y suppléer, un moyen dont nous ferons usage, c'est de rafraîchir la flamme par un mélange de vapeur d'eau.

De l'action chimique de la vapeur d'eau.

§ 5. Cette vapeur jouit d'une propriété remarquable, mise hors de doute par une expérience déjà ancienne, et dont voici le détail.

Si ion fait chauffer du calcaire, dans un tube disposé sur un fourneau de laboratoire de manière à pouvoir, d'un côté, recueillir les produits gazeux; et de l'autre, introduire au besoin de la vapeur d'eau , on reconnaît que , la pierre étant portée au rouge , et ne laissant pas échapper encore ime seule bulle d'acide carbonique, la décomposition commence avec activité dès qu'on introduit de la vapeur , mais cesse aussitôt que la vapeur cesse, et recommence si de nouvelle vapeur arrive.

Le résultat de cette action est un hydrate de chaux décomposable lui-même par la chaleur. Si donc la vapeur n'est pas en assez grande quantité pour refroidir l'appareil, ou si l'incandescence est vivement soutenue, on n'a pas à craindre que la chaux mise à nu puisse fuser.

Ce déplacement de l'acide carbonique au moyen de l'eau semble contradictoire avec un fait qui se passe tous les jours sous nos yeux , c'est que la chaux des mortiers absorbe l'acide

carbonique de l'air et abandonne de Teau. Mais il faut remarquer, avec M. Vicat, que l'acide carbonique ne parvient jamais à déplacer la portion d'eau qui constitue la chaux à l'état d'hydrate en proportions définies; et que, sous ce rapport, il existe une difierence essentielle entre les carbonates régénérés et les carbonates naturels.

L'eau, pour se vaporiser, rend latent beaucoup de calorique;" la vapeiu: à son tour en absorbe encore beaucoup, si on la met en contact avec un corps incandescent : des expériences seront donc nécessaires pour constater que cette double dépense n'excède pas l'économie signalée d'abord.

Ciassification des combustibles.

§ 6. Le rôle que les combustibles jouent dans la calcination conduit naturellement à rechercher quelles sont les températures qu'ils peuvent produire, et les circonstances qui conviennent le mieux à leur emploi et à leur effet utile. Pour cela , nous les grouperons en deux classes : la première comprenant le charbon de bois, le coke et quelques houilles sèches; la seconde comprenant les bois et les iiouilles grasses, c'est-à-dire les combustibles qui éprouvent toujours une distillation préalable, et donnent naissance non-seulement à de l'eau, mais surtout à des gaz carbonés susceptibles de s'enflammer au contact de l'air.

Des tenipe'ratures produites par la combustion du carbone.

§ 7. Les combustibles de la première classe sont du carbone presque pur; ils brûlent ordinairement sans flamme, et se convertissent en acide carbonique qui reste mêlé d'azote, et d'une proportion variable d'air atmosphérique. Que cette opération soit lente ou rapide, qu'elle ait lieu avec peu ou beaucoup d'air, si l'on refroidit jusqu'à la température initiale les gaz qui ont absorbé immédiatement toute la chaleur produite, il est admis comme principe, dans les recherches calorimétriques, que l'effet ne change pas. On a coutume de re-

présenter cet effet par le nombre de degrés dont 1 kilogramme de combustible peut élever la température de 1 kilogramme d'eau, abstraction faite de tout changement d'état et de chaleur spécifique. Chaque degré se nomme alors unité de chaleur , ou calorie. Pour passer ensuite de la température de l'eau à celle que prendrait, dans les mêmes circonstances, un poids donné de gaz, il suffit évidemment de la diviser par le produit de deux facteurs dont l'un est ie poids des gaz et l'autre leur chaleur spécifique

Cela posé, 1 kilogramme de charbon fournit, suivant M. Clément, 7050 calories : si la combustion se faisait au moyen d'oxigène pur, il n'en faudrait à la rigueur que 2''66, donnant naissance à 3''65 d'acide carbonique; la chaleur spécifique de ce dernier gaz est égale à 0,25 , celle de l'eau étant prise pour unité; on aurait donc pour sa température

Mais si la combustion est alimentée avec de l'air atmosphérique , cette température baissera en raison de toute la chaleur nécessaire pour échauffer à un égal degré l'azote qui se trouve mêlé avec l'oxigène dans le rapport, en poids, de 79 à 21. Admettant donc pour l'azote la même chaleur spécifique que pour i'acide carbonique ^, et faisant attention qu'il faut alors 2''65 -+-~ 2''65 = 1 2*' 62 d'air, on n'aura plus que

1 Nous savons, il est vrai, que pour les corps à l'e'tat solide les chaleurs spe'cifiques paraissent n'être pas plus constantes que les dilatations ne sont uniformes : mais les dépendances mutuelles des mole'cules, leur force de cohe'sion variable , expliquent suffisamment ces diffe'rences. Pour les gaz , au contraire , où l'on admet ge'ne'ralement que les mole'cules sont dans un e'fat d'indépendance et de mobilité très-grande, et où l'on a déjà vérifié l'exactitude de la loi de Mariotte , sur les dilatations , depuis 0" jusques à 300°, tout porte à croire que les chaleurs spécifiques restent constantes, au-delà comme entre ces méraes limites.

2 D'après Laroche et Bérard , la chaleur spécifique de l'eau étant prise

Si l'îiir n'est que demi-brûlé comme il a la même eliaïeur spécifique que l'azote et l'acide carbonique, la température sera réduite à

et ainsi de suite.

Conséquences relatives à l'effet utile.

§ 8. Ces exemples suffisent pour montrer combien le décroissement de température est rapide , à mesure que le poids de l'air employé est plus considérable ; ils jettent même beaucoup de jour sur une autre question, celle de ^ejfel utile, ou autrement dit, de la quantité de chaleur que le corps à échauffer enlève aux gaz brûlés. Cette question est le but fondamental de la construction des fourneaux économiques. A-t-elle été convenablement résolue? C'est ce qu'il est facile d'apprécier. Presque tous îes efforts ont abouti à prolonger par divers moyens le contact des chaudières avec les gaz, afin de les refroidir le plus possible; or, une pareille solution est au moins incomplète ; l'essentiel encore c'est qu'on n'introduise pas d'air en pure perte dans le foyer. En effet, l'air

pour unité' , celles des fluides e'iastiques que nous avons à conside'rer sont :

POUR

l'acide carbonique.

POUR

l'azote.

POUR

foxigène.

POUR

l'air atmosphérique.

POUR

la vapeur d'eau.

Les quatre premiers nombres différant très-peu , nous avons admis , comme suffisamment exacte et pour plus de simplicité, la moyenne 0,25.

* Le carbone n'étant pas le seul corps qui brûle avec l'oxigène de l'air et donne un produit gazeux, peut-être serait-il plus convenable de dire «!>■ carburé ; mais l'expression air brûlé étant déj.a usitée , nous avons cru pouvoir l'employer, en prévenant toutefois qu'il ne sera question ici que d'air dont l'oxigène est transformé, au moins partiellement , en acide carbonique.

demi-brùlé sccliappant à 200", par exemple, ne fournit que 0,25 X 26,24 (1075 — 200 ) = 5739 calories par kilogramme de charbon, c'est-à-dire pas plus que l'air complètement brûlé refroidi seulement jusqu'à 3 8 7°, 5, car on a également 0,25 X 13,62 (2073 — 387,5)= 5739 calories. Sans nul doute le but eût été rempli, et ce calcul ne ferait que le confirmer, si toutes les précautions qui tendent à augmenter le refroidissement des gaz sortants convenaient aussi pour rendre l'air plus complètement brûlé. Mais ces deux conditions ne sont pas toujours compatibles; et, dans chaque cas particulier, on doit chercher à établir leur concordance autant que possible.

Du mode d'emploi des charbons.

§ 9. Entrons à ce sujet dans quelques détails pour le cas des charbons, ou combustibles de ia première catégorie. En principe, i'oxigène se combine d'autant plus facilement avec le carbone que celui-ci est à une température plus élevée , à un degré d'incandescence plus vive ; donc toute cause qui favorise cette incandescence convient aussi pour augmenter la température de l'air brillé. Cela posé, on remarque, l''que le charbon incandescent émet beaucoup de chaleur rayonnante. Cette perte de chaleur est nuisible à l'effet utile et à la température produite; pour ce double motif, il importe donc que le foyer soit contenu dans une enveloppe peu conductrice, dans une maçonnerie épaisse, par exemple. Elle s'échauffe, il est vrai, aux dépens du combustible; mais n'ayant qu'une faible conductibilité , elle arrive bientôt à une température à peu près constante, et n'éprouve, par sa surface externe , qu'un rayonnement insensible. On remarque, 2° que chaque rechargement du foyer est suivi d'un abaissement de température proportionnel au dosage. Pour atténuer cet inconvénient, il suffirait sans doute de remplacer le combustible au fur et à mesure de la dépense, en procédant d'un mouvement continu, comme avec l'appareil connu sous le

nom (\e grille tournante; mais on y parvient plus sûrement, et on améliore i'eiïet utile, en introduisant le combustible parle canal (^écoulement de l'air brùlé, et en le stratifiant , si ïes circonstances le permettent, par couches alternatives avec les corps à cchaufTer. De cette manière les parties supérieures, à mesure qu'elles descendent vers le foyer, recueillent de la chaleur qui eût été perdue en grande partie, et deviennent incandescentes avant que la combustion les atteigne.

Avec les charbons, la pierre calcaire se prête aisément au chauffage par voie de stratification; mais elle ne pourrait être soumise sans danger au système des foyers isolés. En effet, les fragments calcaires les plus rapprochés du foyer, faisant l'office d'écran, arrêteraient toute la chaleur rayonnante et seraient vitrifiés avant que les autres fussent arrivés au terme convenable de calcination.

Une dernière question d'une haute importance est celle qui tient à l'influence du tirage ; nous y reviendrons plus tard.

Des températures ]iro<îuites par les combustibles à flamme.

§ 10. Un ordre différent de phénomènes se présente dans l'emploi des combustibles de la deuxième catégorie. Ils sont formés, en proportions variables, de carbone, d'hydrogène, d'eau à l'état de combinaison, et d'eau simplement interposée. Ils peuvent se convertir presque intégralement, par la combustion , en eau et en acide carbonique. Mais alors c'est quelquefois la moindre partie de leur carbone qui brûle immédiatement par le contact de l'air; l'autre commence d'abord par réagir sur les éléments avec lesquels elle était combinée, et donne lieu à plusieurs produits gazeux , tels que l'hydrogène carboné et l'oxide de carbone : ceux-ci se combinent à leur tour avec l'oxigène de l'air; et, de cette combinaison et de la présence simultanée d'une petite dose de carbone entraîné par le courant des gaz, ou déposé à l'état de ténuité

extrême par l'Iiydrogène percarboné, il résulte une flamme longue et d'un éclat remarquable.

Quelque soin qu'on apporte dans ia construction et l'alimentation des foyers, il est presque impossible de ne pas laisser échapper une certaine proportion de carbone et de gaz combustibles , sous forme de fumée ; il ne serait guère plus facile de tenir compte de la valeur calorifique ainsi perdue : faisant donc abstraction de cette imperfection de foyers, nous admettrons, dans les calculs d'effets comparatifs, qu'on est parvenu à n'avoir plus que de l'air brûlé et de la vapeur d'eau. Cela posé, si ces résidus se développent d'une manière uniforme, leur température s'obtiendra en divisant la valeur calorifique du combustible par la somme des produits partiels du poids de chaque espèce de gaz par sa chaleur spécifique; et on * aura par exemple.

Pour le ligneux, composé de 0,52 de carbone et 0,48 d'eau :

L'air étant complètement bruIé ,

L'air étant demi-brufé,

Pour la houille de Newcastle, composée, suivant M. Karsten, de 0,8499 de carbone, 0,1325 d'eau et 0,0176 d'hydrogène :

L'air étant complètement brûlé ,

0,85x0,1325-v-0,25x0,8499xl3,62-t-0,85x9x0,01764-0,25x8x0,0176x^

* Le second terme du nume'ratcur exprime la chaleur latente de la vapeur d'eau , prise aux dépens de la valeur calorifique du carbone.

2 Le nombre 22125 exprime la valeur calorifique de l'' d'hydrogène; le

L'air étant demi-brûle ,

6221 6221 — — = = lois».

3,27+0,25xO,8499x 12,G2-i-0,25x8x0,0l76(l-H^|) 0,12

Pour le hois , abstraction faite de la cendre , et après un an de coupe, c'est-à-dire contenant environ ^ son poids d'humidité :

L'air étant complètement brule,

L'air e'tant demi-brûIe' ,

Enfin , pour le bois vert, contenant à peu près -pj- de son poids d'humidité :

L'air étant complètement brûlé,

: IJ i = L =: 1 107O;

L'air étant demi-brûlé,

Ces nombres font voir combien l'eau , interposée ou combinée au carbone, fait décroître la température des gaz. Elle n'apporte rien en valeur calorifique, tandis qu'elle dépense beaucoup, en raison de sa chaleur latente pour passer à l'état de vapeur, et de sa chaleur spécifique pour se mettre en équilibre de température avec l'air brûlé. Nous aurons donc à examiner, entre autres choses, comment on peut s'en débarrasser avec la moindre perte possible.

terme 9 x 0,0176 est relatif à l'hydrogène, qui absorbe , en brûlant, huit fois son poids d'oxigcne. Enfin le dernier terme du dc'nominatcur est relatif à l'azote qui accompagne l'oxigène converti en acide carbonique.

De la proportion de carbone qui brûle sans être transforme'e préalablement en gaz carbone's.

§ 11. On le prévoit aisément, l'étude du mode d'emploi des combustibles à flamme est bien plus compliquée que celle des combustibles de la première catégorie. Aussi, afin qu'on saisisse mieux leur but et leur liaison, voici d'abord le résumé des questions qui vont être traitées :

1° Quelle est la portion de carbone qui brûle sans être transformée préalablement en gaz carbonés ; et comment variet-elle suivant les circonstances ?

2° Quel est l'ordre dans lequel apparaissent les produits aqueux de la distillation, et comment la température et l'état de division du combustible influent-ils sur ce phénomène?

3° Quels sont, d'après cela, les avantages d'isoler le combustible d'avec les corps à échaufler, d'alimenter le foyer par fortes doses à la fois, et enfin d'avoir un tirage très-actif?

Commençons par la première de ces questions.

Nous extrayons d'un mémoire sur les combustibles, par M. Karsten, le tableau suivant: