5.4.31. LE DIOXYDE DE CARBONE

Propriétés physiques et chimiques

A l'état de gaz, le dioxyde de carbone est incolore, inodore et aisément liquéfiable. Sa température critique se situe à 31,06 °C. Sa masse molaire est de 44, sa densité par rapport à l'air dans les conditions normales de température et de pression est de 1,52.

A l'état solide, la neige carbonique est produite par brusque détente de CO₂ sous pression. Lors de sa projection à l'air libre, elle est à la température de - 78,5 °C. Elle est immédiatement sublimée, c'est-à-dire transformée de solide en gaz sans passer par l'état liquide.

Le dioxyde de carbone est normalement stocké sous forte pression dans des bouteilles ou, sous basse pression, dans des réservoirs réfrigérés, où il est partiellement liquéfié.

• Point triple

A la température de - 56,6 °C et à la pression absolue de 5,2 bar, le gaz se présente sous les trois états : solide, liquide et gazeux. Ce point particulier est baptisé « point triple ». En dessous de ce point, peuvent exister les états gazeux et solides, ce dernier ne subsistant que si la pression est suffisante.

Entre - 56,6 °C et + 31,06 °C (point critique) peuvent exister les états gazeux et liquide, celui-ci également sous une pression de plusieurs bars. Au-dessus de + 31,06 °C, n'existe plus que l'état gazeux.

• Masse volumique 

Elle varie en fonction des températures et des pressions. A - 30 °C, sous pression de 1 bar (état gazeux), elle est de 2,20 kg · m^-3 et sous pression de 60 bar (état liquide), elle est de 1 100 kg · m^-3.

A + 65° C, sous les mêmes pressions (cette fois sous état gazeux uniquement) ces valeurs atteignent respectivement 1,58 et 121 kg · m^-3.

• Quantité de gaz libérée

La vaporisation de 1 kg de dioxyde de carbone solide ou liquide produit un volume gazeux de plus de 500 litres à + 15 °C sous pression atmosphérique. On note que 1 kg de gaz liquide ou solide occupe un volume d'environ 0,9 litre dans une citerne réfrigérée entre - 15 °C et - 30 °C.

• Solubilité

Le dioxyde de carbone se dissout partiellement dans l'eau pour former un acide faible : l'acide carbonique. La quantité dissoute augmente avec la pression, mais diminue quand s'élève la température. Il est également soluble dans les halogénés.

• Activité chimique à chaud

Entre 2 000 et 5 000 °C, le dioxyde de carbone se décompose en CO et en oxygène. Il se décompose aussi sous l'action des ultra-violets, en présence de carbone à chaud, en présence d'hydrogène et dans les feux de métaux.

La molécule de CO₂ est très stable, mais à quelques centaines de °C, une réaction se produit avec les métaux, réducteurs d'oxygène, notamment les alcalins et le titane. Le dioxyde de carbone ne convient donc pas pour les feux de métaux.

Mode d'action

Le dioxyde de carbone agit essentiellement par réduction de la teneur en oxygène de l'air à une valeur à laquelle le feu ne peut plus naître ni s'auto-alimenter. L'effet de refroidissement du CO₂ est minime comparativement à l'effet d'étouffement.

L'abaissement de la teneur en oxygène sera obtenu par injection d'une plus ou moins grande quantité de CO₂, en fonction de la nature du combustible et suivant que l'on agit préventivement (purge ou inertage) ou pour éteindre un feu déclaré.

Propriétés extinctrices

La concentration extinctrice est le rapport final entre le volume du dioxyde de carbone gazeux (calculé à la pression atmosphérique) restant dans l'espace protégé et le volume de cet espace.

Pour obtenir cette concentration il est évident que le volume réel de gaz injecté sera supérieur au volume final, puisque le local où se situe le feu à combattre n'est jamais hermétiquement clos.

Il existe toujours des fuites, si minimes soient-elles. Le gaz diffuse spontanément dans tout l'espace qui lui est offert.

Ainsi, dans les installations d'extinction automatique, en protection ponctuelle, comme en protection d'ambiance, le facteur de sécurité applicable aux concentrations théoriques d'extinction, afin de compenser les fuites, est de 20 % (standard NFPA 12 et règle APSAD R3). Compte tenu de ce facteur, la concentration minimale d'usage est de 34 %.

Cette concentration minimale est applicable pour éteindre certains types de combustibles (essence, méthane, gazole, butane) ; elle est insuffisante pour d'autres matières ou pour l'extinction de feux d'équipements particuliers. Aussi, les matériaux nécessitant une densité de CO₂ plus importante sont-ils affectés d'un coefficient de concentration, appelé « facteur K_B » dont il y a lieu de tenir compte pour déterminer la quantité de CO₂ nécessaire à l'extinction d'un feu dans une enceinte, conjointement avec les données relatives au volume à protéger.

Le tableau ci-après donne les valeurs de K_B et les taux de concentration d'usage pour l'extinction de quelques matières inflammables (règle APSAD R3 et norme ISO 6183) :

 

Matériau combustible	Facteur KB	Concentration de calcul de CO2 en %
Feux de gaz et de liquides
Acétone	1	34
Acétylène	2,57	66
Alcool éthylique	1,34	37
Benzol, Benzène	1,1	35
Butadiène	1,26	41
Hydrogène	3,3	75
Kérosène	1	34
Méthyle éthyle cétone	1,22	40
Monoxyde de carbone	2,43	64
n-Heptane	1,03	43
Oxyde d'éthylène	1,80	53
Feux de matières solides  (1)		Règle APSAD R3 - ISO 6183
Matière cellulosique	2,25	61 62
Coton	2	57 58
Papier, carton ondulé	2,25	61 62
Matière plastique (granulaire)	2	57 58
Polystyrène	1	34
Polyuréthane vulcanisé	1	34
Cas spéciaux d'application
Salle de câbles, gaines contenant des câbles (2)	1,50	47
Ordinateurs (2)	1,50	47
Installations de peinture par pulvérisation et de séchage	1,20	40
(1) Il s'agit de matières susceptibles de donner lieu à des feux profonds et une concentration de 34 % doit être maintenue pendant au moins 20 minutes. (2) Une concentration de 34 % doit être maintenue pendant au moins 10 minutes.

Concentrations nécessaires pour inertage et purge

Il existe des valeurs-limites de teneur en oxygène de l'air au-dessous desquelles l'inflammation de divers gaz ou vapeurs devient impossible. Ces valeurs varient avec la nature des gaz inflammables contre lesquels le dioxyde de carbone sera appelé à intervenir.

Les tableaux suivants indiquent, pour les produits les plus courants :

La valeur Lo (tableau I) de la teneur en oxygène de l'air en dessous de laquelle l'inflammation de gaz ou de vapeurs devient impossible. Un deuxième tableau (tableau II) indique cette valeur Lo pour des poussières inflammables.

La valeur Lc (tableau III) de la teneur en combustibles divers en dessous de laquelle leur mélange avec le dioxyde de carbone devient ininflammable.

Ces valeurs sont propres au dioxyde de carbone.

 

Tableau I

Gaz ou vapeurs inflammables	Valeur de Lo (CO2)
Acétone	15,5 %
Acétylène	9,5 %
Benzène	14 à 15 %
Butadiène	13,5 %
Essence, kérosène	14 à 14,5 %
Ethane	13,5 à 14 %
Ethanol	13,5 à 14 %
Ether éthylique	13 %
Ethylène	11,5 à 12,5 %
Hydrogène	6 à 7 %
Méthane	14,5 à 15,5 %
Méthanol	13,5 %
Monoxyde de carbone	7 à 9 %
Pentanes, hexanes	14,5 à 15 %
Propane, cyclopropanes, butanes	14 à 15 %
Propylène, butylènes	14 à 14,5 %
Sulfure de carbure	8 à 8,5 %
Sulfure d'hydrogène	11  %
Chiffres valables aux conditions ordinaires de température et de pression.

 

Tableau II

Poussières inflammables	Valeur de Lo (CO2)
Caoutchouc	13 à 14 %
Cellulose	12 à 14 %
Charbon	15 à 16 %
Sciure de bois	14 à 15 %
Soufre	10 à 11 %
Produits organiques en général	> ou = 11,5 %

 

Tableau III

Gaz ou vapeurs inflammables	Valeur de LC (CO2)
Acétone	13,5 %
Acétylène	6 %
Benzène	7 %
Butadiène	7 à 7,5 %
Butane	9,5 à 10 %
Butylène	9 à 9,5 %
Essence	6 à 7 %
Ethane	11,5 à 12 %
Ethanol	15 %
Ether éthylique	8 %
Ethylène	10 %
Hexanes	6,7 %
Hydrogène	6,5 à 7 %
Méthane	22 à 24 %
Méthanol	23 à 24 %
Monoxyde de carbone	25 à 30 %
Oxyde d'éthylène	10 %
Pentanes	7,5 %
Propane, cyclopropane	11 %
Propylène	11 %
Sulfure de carbone	2,5 %
Sulfure d'hydrogène	9 %

Mise en œuvre

• Purge : le dioxyde de carbone possède deux qualités qui lui permettent d'assurer au mieux l'effet piston : sa densité par rapport à l'air et aux gaz moins lourds que le propane, et ses coefficients de diffusion vis-à-vis de tous les gaz.
• Extinction : le dioxyde de carbone peut être utilisé soit en extincteurs mobiles, soit en installations fixes à haute ou basse pression. Les premiers sont réservés à l'attaque manuelle des feux de surface sans formation de braises, d'importance réduite et spécialement au voisinage d'équipements électriques sous tension, et lorsqu'on privilégie la rapidité. Les secondes sont dites de protection d'ambiance par noyage total ou partiel.

Domaine d'utilisation

L'emploi du dioxyde de carbone comme agent extincteur résulte des deux caractéristiques suivantes :

- il est non conducteur de l'électricité, ce qui en fait donc l'agent par excellence de lutte contre les feux électriques ; - son action chimique est nulle, sauf exceptions précitées, il n'est ni toxique (à doses peu élevées dans l'air), ni corrosif, et se dilue dans l'atmosphère après extinction sans laisser de traces ni de résidus. Il est donc approprié à la protection des objets fragiles et de grande valeur.

Il ne nécessite aucune énergie auxiliaire, puisqu'il est expulsé par sa propre pression.

En revanche, à l'air libre ou dans des locaux ouverts, son action est fugace, sauf s'il est utilisé sous forme de neige carbonique sur des feux de surface de combustibles solides ou sur des feux de conducteurs électriques. Dans ce cas, il est apte à éteindre des feux de produits à point d'éclair très bas (essence, hydrocarbures légers, ...).

En définitive, le dioxyde de carbone convient pour les feux de classe B, feux de liquides ou de solides liquéfiables, et dans certaines conditions, pour les feux de classe A (feux de solides avec formation de braises et au voisinage des installations électriques sous tension). A la rigueur il peut être utilisé pour des feux de classe C (feux de gaz).

Il convient bien pour l'intervention manuelle sur feux de flaques de produits chimiques et pour feux de volumes :

- appareillage électrique et matériels de valeur ; - produits alimentaires ; - locaux fermés ou faciles à obturer, stockages de peinture, de solvants... cales de navires ; - protection de secteurs à risque permanent (peinture, vernissage, trempage, enduction, bancs d'essais, laminoirs, etc.).

Restrictions et limites d'emploi

• Température

En extinction, aux températures inférieures à 0 °C, la tension de vapeur du dioxyde de carbone diminue, ce qui entraîne une diminution de débit et de portée. En basse pression, on peut descendre jusqu'à - 20 °C, ce qui est sa température moyenne de stockage. En haute pression, la limite supérieure de température de stockage ne doit pas dépasser 50 °C au taux de chargement normal, et 63 °C au taux tropical.

• Feux profonds

Ce sont les feux de classe A dont la plus grande partie de l'énergie est dans la masse du combustible : matériaux empilés, archives, silos, fourrages, tabacs... Le dioxyde de carbone utilisé en installations fixes peut lutter contre eux, mais n'est pas le plus efficace.

• Feux de plein air

Sa dilution immédiate dans l'air limite son efficacité.

• Atmosphères explosibles

Comme tous les non-conducteurs, le dioxyde de carbone développe des charges électrostatiques dans les circuits de distribution fixes. On prendra donc la précaution élémentaire de relier ceux-ci à la terre, surtout en présence de risques d'explosion dans les locaux à protéger.

• Chocs thermiques

Par le brusque refroidissement qu'il entraîne (il est émis à - 70 °C), le dioxyde de carbone risque de détériorer certains matériels sensibles aux chocs thermiques. En cas d'installations fixes, on aura soin de disposer les diffuseurs de façon à provoquer une diffusion de la neige bien répartie, et en évitant le jet direct sur un de ces appareils.

Interdictions d'emploi

Le dioxyde de carbone est à proscrire absolument sur les feux de classe D, feux de métaux légers ou réactifs et leurs hydrures (magnésium, aluminium, sodium, potassium, zirconium, titane, etc.), qui le décomposent à haute température.

Il ne doit pas non plus être employé, pour les mêmes raisons, sur des feux où sont impliqués des corps très avides d'oxygène ou instables : nitrates, chlorates, peroxydes, explosifs...

Sur les feux de charbon dans la masse, il est inopérant car il se décompose en monoxyde de carbone (combustible) en présence de carbone.