2.1.3. LES PRINCIPES DE LA COMBUSTION

LA COMBUSTION

La combustion des gaz ou de vapeurs

Seuls les gaz brûlent, que ce soient des gaz de distillation provenant de corps à l'état solide chauffés ou de liquides émettant des vapeurs inflammables. Un corps naturellement à l'état gazeux, en raison du phénomène de la diffusion gazeuse, réalise avec le comburant une association intime qui constitue une condition extrêmement favorable à la combustion. Toutefois, pour que s'effectue la combustion d'un gaz (ou de vapeurs), il faut que le mélange gaz-comburant soit dans des proportions adéquates, que la teneur en oxygène dans le comburant soit suffisante et que la source d'énergie d'activation soit assez forte.

La combustion des liquides inflammables

Un liquide est dit « inflammable » lorsqu'il émet des vapeurs qui, en mélange dans les proportions du domaine d'inflammabilité avec un comburant, sont susceptibles de s'enflammer.

La condition principale pour qu'il puisse y avoir combustion est que le liquide émette des vapeurs en quantité suffisante pour atteindre une concentration supérieure à la limite inférieure d'inflammabilité.

Si la vapeur émise par un liquide constitue un mélange trop riche (concentration supérieure à la limite supérieure d'inflammabilité), la flamme se décollera de la nappe de liquide et le mélange pourra récupérer l'air susceptible d'abaisser la concentration pour ramener le mélange entre les limites d'inflammabilité.

La combustion des solides

La combustion des solides ne répond pas à des lois aussi précises que celles des gaz ou des vapeurs de liquides inflammables, mais, comme dans le cas des liquides, elle se produit essentiellement dans la phase gazeuse. Quelques rares substances brûlent directement à l'état solide, notamment les métaux.

Le phénomène de la combustion des solides est très complexe. Sous l'action de la chaleur, certains solides se transforment en gaz sans décomposition, soit directement par sublimation, soit par fusion et distillation. D'autres ne changent pas d'état physique et n'émettent pas de vapeurs (charbon de bois, coke). Les solides à point de fusion peu élevé se comportent comme des liquides ; la chaleur dégagée par la flamme de diffusion fait fondre le solide au moins superficiellement.

La plupart des substances ont une vitesse de réaction d'oxydation dans l'air très faible à température ambiante ordinaire, mais un apport de chaleur se traduit par une rupture des liaisons intermoléculaires qui entraîne, dans la plupart des cas, un phénomène de pyrogénation préalable à la combustion. La combustion des solides peut être qualifiée de « lente » ou « vive », suivant la vitesse de la réaction.

LES PRINCIPES GÉNÉRAUX DE LA COMBUSTION

Le combustible

Est combustible toute substance susceptible de brûler, c'est-à-dire d'être totalement ou partiellement détruite par le feu. Tous les corps susceptibles de s'unir avec l'oxygène sont dits combustibles. On peut schématiquement dire que tout corps contenant du carbone et de l'hydrogène peut être oxydé, donc est combustible. De nombreux corps ont cette propriété mais les uns ne brûlent pas aussi facilement et aussi vite que les autres. Cela dépend de leur nature et de leur état de division. La combustion est d'autant plus vive que le combustible est divisé. En outre, les solides et les liquides ne brûlent pas en tant que tels. Ce sont les gaz et les vapeurs qu'ils émettent qui brûlent.

Le comburant

En pratique, il n'existe qu'un seul comburant, l'oxygène. Cet oxygène peut se trouver soit à l'état pur, soit en mélange avec d'autres gaz, soit provenir de la décomposition de certains produits chimiques (acide nitrique, nitrates, chlorates, peroxydes...).

À l'état pur, l'oxygène est utilisé, par exemple, dans le cas du chalumeau oxyacétylénique. La combustion de l'acétylène se fait dans un flux d'oxygène pur. La température dégagée est alors plus importante que si on fournissait uniquement de l'air. De même, un fer chauffé au rouge que l'on trempe dans un récipient contenant de l'oxygène « brûle » en dégageant des étincelles. C'est le principe des lances à oxygène.

Dans la plupart des cas, le comburant est l'oxygène de l'air. L'air contient, en volume, environ 21 % d'oxygène et 78 % d'azote, en moyenne. Dans certains cas, la teneur en oxygène peut être inférieure. Pour que l'air soit un comburant efficace pour les combustibles courants, il faut qu'il contienne plus de 15 % d'oxygène. L'oxygène présente une grande affinité pour de très nombreux corps. Au cours de la réaction, il ne brûle pas mais se combine avec d'autres particules pour donner naissance à de nouveaux produits.

Il arrive que des réactions comparables aux oxydoréductions aient lieu sans mettre en jeu de l'oxygène : c'est le cas notamment des corps halogénés (fluor, chlore, brome, iode).

L'énergie d'activation

Pour déclencher le phénomène de combustion, un apport d'énergie (appelée énergie d'activation) est nécessaire. Il peut s'agir d'une flamme nue, d'une étincelle, d'une source de chaleur, d'une pression. C'est la quantité de chaleur dégagée par cet apport d'énergie qui est à l'origine de la combustion, mais la chaleur n'est en fait qu'une manifestation de l'énergie. Une énergie de forme quelconque : mécanique, chimique, électrique, etc. peut être l'objet d'une transformation. L'énergie calorifique étant le résultat de la transformation d'une autre énergie, il convient donc d'utiliser de façon générale le terme d'énergie, et, pour le cas particulier de l'étude de la combustion, l'expression « énergie d'activation ». Ensuite, cette transformation libère à son tour de l'énergie et le phénomène de combustion s'entretient de lui-même en raison de la quantité de chaleur que dégage cette réaction.

Certains éléments étrangers à la combustion, ni combustibles, ni comburants, peuvent, par leur simple présence, parfois en quantité infime, jouer un rôle d'activateurs ou d'inhibiteurs de la réaction, sans y participer eux-mêmes chimiquement. Ainsi, des « catalyseurs positifs », comme par exemple la mousse de platine pour la combustion de l'hydrogène, abaissent l'énergie d'activation (et donc la température d'auto-inflammation) à tel point que la réaction peut devenir spontanée à température ambiante. C'est ainsi qu'autrefois les réverbères s'allumaient tout seuls dès que le gaz était ouvert. Des réactions de ce type sont très fréquentes au cours des incendies. Inversement, des « catalyseurs négatifs » ou inhibiteurs rendent la réaction difficile et peuvent arrêter la combustion. C'est ainsi qu'agissent les poudres extinctrices et certains gaz d'extinction.

Sur le plan de la prévention, il convient donc, pour éviter la naissance des incendies, de :

- séparer les oxydants des réducteurs, - écarter les sources d'activation des précédents.

L'allumage

Lorsque le mélange gazeux est en proportions convenables, pour qu'il s'enflamme et que la flamme persiste, il faut qu'une source d'allumage soit en mesure de porter un volume suffisant du mélange à une température minimale en un temps suffisamment court. La flamme se propage ensuite d'elle-même dans le mélange frais, grâce à un échange à la fois thermique et diffusionnel de radicaux libres avec les couches de gaz en combustion. La valeur de cette énergie minimale est fonction de la nature du gaz et du temps pendant lequel elle est libérée. Libérée en un temps très bref, elle peut être très faible : de quelques dixièmes de millijoules à quelques microjoules. Une source d'énergie aussi faible qu'une étincelle d'électricité statique est suffisante pour déclencher l'inflammation d'un mélange gazeux combustible/air situé dans le domaine d'inflammabilité.

Le triangle du feu

Les trois éléments indispensables à l'éclosion du feu et à sa continuité sont donc le combustible, le comburant et la source d'énergie. Ces trois éléments sont généralement représentés par un schéma triangulaire, où l'énergie d'activation est généralement située à la base (au centre). Ce schéma est appelé « triangle du feu ».

Le schéma traditionnel du triangle du feu (combustible - comburant - énergie d'activation) peut être complété par le tableau suivant :

On estime que pour un foyer bien amorcé, 90% de l'énergie sont évacués et 10% sont nécessaires à l'entretien de la combustion sous forme d'énergie d'activation (ces chiffres ne sont qu'approximatifs).